应变软化非晶材料的动态孔洞成核和扩展理论

5月19日，华南理工大学土木与交通学院姚小虎教授研究组在固体力学顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上在线发表论文“A cavitation and dynamic void growth model for a general class of strain-softening amorphous materials”（《应变软化非晶材料的动态孔洞成核和扩展理论》）。该论文第一作者为华南理工大学唐晓畅博士，通讯作者为姚小虎教授和美国德州农工大学Justin W. Wilkerson教授，合作者为德州农工大学Thao Nguyen博士。

　　该研究创新性地论证了金属玻璃在不同冲击压力下层裂面形貌差异的来源是金属玻璃的应变软化行为。由于金属玻璃具有超高的比强度、耐腐蚀性和耐磨性，可用作航天器结构材料和坦克装甲防护层。因此，对金属玻璃的动态力学特性和损伤演化过程的系统研究，可以使其在未来的国防领域中发挥更重要的作用。

图1 金属玻璃在平板撞击下的层裂面形貌

　　坦克装甲在承受弹片冲击时，随冲击速度提升，断口形貌从韧窝联合型向杯锥结构型过渡，即“韧脆转变”。在之前的研究中，课题组已通过系统的实验研究，对金属玻璃在不同冲击压力下的层裂面形貌展开定量统计，获取了杯锥结构顶点间距、圆锥角、杯锥结构朝向等多种微细观尺度的损伤特征，并观察到杯锥结构尺寸和顶点成核间距都随冲击压力增大而减小的规律。研究结果与过去研究者所持观点不尽相同，认为不同冲击压力下层裂面形貌差异可能并非来源于成核源间的相互作用，而是来源于金属玻璃的应变软化行为，进而推测冲击压力/拉力足够使基体发生应变软化，是主导杯锥结构形成过程的一个重要原因。

　　在此次工作中，课题组基于自由体积演化理论和动态孔洞扩展理论，构建了一套非晶塑性-动态孔洞扩展理论。该模型可用于描述剪切带和动态孔洞的扩展过程，进而在有限元计算模拟中实现对层裂面形貌转变过程的模拟。该模型使用自由体积理论描述非晶合金的塑性流动行为，同时使用材料强度近似函数作为沟通动态孔洞扩展理论的桥梁，进而考虑金属玻璃的初始自由体积软化效应和粘性效应对层裂强度的影响。

图2（a）理想塑性模型和应变软化模型预测所得压力-损伤度曲线；

（b）不同应变率下，APD理论预测结果和DNS模拟结果

　　据悉，此前针对应变软化材料的孔洞演化研究极少，而且尚未有针对金属玻璃单纯应变软化行为的研究。该系列工作通过实验、模拟和理论相结合的方法，研究金属玻璃在动态冲击加载下的层裂损伤演化行为，为不同冲击压力下金属玻璃层裂面形貌的转变过程提供了系统认知。

　　唐晓畅博士是华南理工大学工程力学创新班毕业学生，该研究成果的取得体现了工程力学创新班本-硕-博高层次复合型人才培养模式的优势。该研究由国家自然科学基金杰出青年基金、华南理工大学博士生创新基金（2018）和国家留学基金管理委员会资助。

　　据介绍，华南理工大学姚小虎教授研究团队研究领域主要涉及非晶合金、高熵合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。其与美国阿拉莫斯国家重点实验室、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、德州农工大学联合开展多项研究工作，相关研究成果已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、International Journal of Plasticity、Acta Materialia、Carbon、International Journal of Impact Engineering等固体力学和材料领域顶级期刊上发表。（图文/华南理工土木与交通学院　编辑/赵春旭）