块体金属玻璃剪切带失稳起源研究

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室戴兰宏研究员课题组在块体金属玻璃(也称非晶态合金)剪切带失稳的物理起源方面取得新进展。相关研究成果发表在近期出版的《固体力学与物理学期刊》（J. Mech. Phys. Solids）上。由于长程无序、短程有序，无晶界、位错的结构特征，块体金属玻璃具有一系列优异的力学、物理和化学性能，在国防、空天等领域显示出了广阔的应用前景。然而，金属玻璃在室温下的塑性变形总是以局部化剪切带为主要模式，导致在灾变破坏前往往表现出非常有限的宏观延性(塑性)，从而限制了这类材料广泛的工程应用。此外，基于位错滑移机制的经典塑性理论无法来描述这类微结构无序材料的(局部化)塑性行为。因此，揭示金属玻璃剪切带形成的物理起源具有十分重要的工程意义和学术价值。国际上对于金属玻璃中剪切带的形成机制存在相当的争议(F. Spaepen, Must shear bands be hot? Nature Mater. 2006)。戴兰宏研究员课题组针对这一问题进行了系统研究，揭示出金属玻璃中剪切带的形成实际上是一种自由体积软化主控，热软化辅助的耦合失稳过程(Dai et al., Appl. Phys. Lett. 2005; Dai & Bai, Int. J. Impact Eng. 2008)。但是，自由体积软化和热软化是如何耦合的？它们是如何相互作用的？在耦合失稳过程中各自扮演了什么角色？这些问题仍亟待进一步研究。中国科学院力学研究所所蒋敏强博士和导师戴兰宏研究员针对上述问题，基于对金属玻璃热力耦合剪切系统的均匀与非均匀流动行为的理论分析，发现在剪切失稳前自由体积软化和热软化是一个互相促进的过程(图1)，自由体积软化导致的剪切带失稳要早并且比热软化更容易引起剪切失稳，在自由体积和热耦合软化过程中起主控作用。热力耦合的剪切带分析验证了这种自由体积软化的主控机制，揭示出局部温升可能是剪切带形成的结果，而不是其起源(图2)。进一步分析表明，金属玻璃在剪切变形过程中，剪切诱导的材料体胀对剪切带失稳起到了促进作用。本项研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委创新研究群体及科技部973项目的资助。（来源：中国科学院力学研究所）