物理所非晶材料断裂机理研究取得重要进展

    近日《物理评论快报》发表了中科院物理所在非晶材料断裂机理研究中的新进展。该所科研人员发现，在一些脆性非晶合金的断裂面会形成非常规则、反常的具有纳米周期条纹结构，深入观察表明这些脆性断裂在微观上是塑性断裂过程。该研究结果有助于在更微观层次深入理解脆性材料的断裂机制，阐明脆性材料断裂过程中的一些重要科学问题，为有效提高金属非晶材料的结构可靠性提供了纳米尺度上的理论依据。该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院的资助。 

    该所汪卫华研究组王刚等人利用原子力显微镜并配合扫描电镜对脆性块体非晶合金的断裂面结构进行了三维成像观察，发现在适当的条件下些脆性非晶合金的断裂面会形成非常规则、反常的具有纳米周期条纹结构。这种纳米周期条纹型貌结构沿裂纹的扩展方向，受断裂条件和材料本身(如裂纹扩展速度，材料的韧性等)的影响。仔细观察发现这些纳米条纹型貌结构是峰对峰、谷对谷，而不是峰对谷的咬合结构，这表明该脆性材料具有和其它不同韧性的金属玻璃相似的局域软化断裂机制，其脆性断裂在微观上是塑性断裂过程。通过对裂纹前端塑性变形区的大小和温升的计算表明，脆性非晶合金在断裂瞬间由于出现升温导致裂纹尖端的局域软化和塑性变形。 

    据悉，该所汪卫华研究组在大块非晶合金材料领域进行了长期深入研究，他们在成功研制出非晶合金中塑性优异的Zr基非晶合金(Science, 315, 1385(2007))的同时，也研制出最脆的Mg基材料(其韧性接近一般的窗户玻璃)。脆性大块非晶合金的出现为研究脆性材料的断裂行为和机理提供了极好的平台。他们通过对脆性Mg基其断裂面结构的系统观察和研究，发现了这类脆性材料具有与其它韧性金属材料类似的纳米级脉纹结构特征(约100 nm)。研究结果表明脆性金属玻璃的宏观脆性断裂在微观尺度上属于韧性断裂。[Phys Rev. Lett. 94, 125510(2005)]。 

    在此基础上，他们建立了产生这些纳米周期条纹的唯象模型，并结合裂纹尖端的粘性半月板非稳定性扩展分析，对断口表面形成韧窝结构和条纹结构的极限条件进行了定量描述。发现，裂纹前端的塑性区对裂纹尖端的半月板非稳定性的限制作用是形成韧窝结构或周期性条纹形貌的重要条件，而由于裂纹前端的塑性区与材料的断裂韧度值呈正比关系。因此脆性非晶合金较小的裂纹前端塑性区对半月板非稳定性扩展的抑制作用导致了周期性条纹形貌的产生。 

    脆性材料断裂机理的研究是材料科学以及凝聚态物理领域热点课题之一。其研究成果对其它领域如地质、地震等领域有重要影响。研究形变和断裂的最直接和有效的方法是观察其断裂面，只有细致的断口形貌的观测分析才能了解断裂的机理和规律。