博文
我的博士学位论文【缩影版】
||
块体金属玻璃的剪切带行为
(Shear-banding behaviors in bulk metallic glasses)
蒋敏强
导师：戴兰宏研究员
申请学位级别：博士，学科专业名称：固体力学
培养单位：中国科学院力学研究所
摘要：
块体金属玻璃，由于长程无序的原子结构，在室温下的塑性变形极易形成局部化剪切带；剪切带的快速扩展导致材料表现出差的拉伸延性，极大地限制了这类新型材料的工程应用。为此，本论文围绕金属玻璃中剪切带行为这一关键力学问题，开展了系列的研究。
通过对金属玻璃体积变形的原子模拟以及玻璃液体的"Fragility"与玻璃固体体积模量之间固有关联的探索，揭示了在剪切主控的流动过程中，必然伴随着与材料相关的体积膨胀。这种原子尺度的剪胀效应很有可能是自由体积聚集导致局部化剪切带的物理起源。
热力耦合的非均匀剪切变形分析表明，在剪切失稳前自由体积产生和温升相互促进，但是前者要早且快于后者。局部自由体积的微弱扰动将导致显著的应变局部化剪切带，局部温升是这种局部化过程的结果，而不是原因。此外，剪胀使剪切带失稳更容易发生。
金属玻璃的动态“受迫”剪切实验显示，剪切带的演化是一个高度局部化的过程：从几十纳米的剪切带发展到百纳米的微裂纹，剪切位移仅仅增大了几十纳米。建立了自由体积软化下的剪切带局部演化模型，定义了“剪切带韧性”参数来表征材料对剪切带扩展的敏感性。最后，对剪切带厚度进行了理论预测。
金属玻璃在切削过程中形成的片状切屑是缘于主剪切区内剪切带的周期形成，可以理解为一种自我维持的极限环失稳现象：剪切应力、自由体积以及温度在主剪切区的自动反馈，其物理机制是自由体积流和源的对称破缺。
提出了一种新的原子团簇运动模式，即“拉伸转变区（tension transformation zone, TTZ）”，作为准解理耗散过程的基本单元，揭示出金属玻璃在断裂过程中的能量耗散机制是经典的“剪切转变区，STZ”和TTZ的固有竞争。
关键词：金属玻璃，剪切带，自由体积，绝热，断裂机理
目 录
摘 要... I
ABSTRACT. II
第一章绪论... 1
1.1 引言... 1
1.2 塑性变形机理... 3
1.2.1“自由体积”模型... 3
1.2.2“剪切转变区”模型... 5
1.2.3“协同剪切”模型... 7
1.3 宏观塑性变形（流动）行为... 9
1.3.1两种流动模式... 9
1.3.2 剪切带的形成机理... 11
1.3.3 剪切带的演化过程... 13
1.4 断裂行为和机理... 15
1.5 本研究组的研究基础和实验条件... 17
1.6 本论文研究内容和意义... 18
参考文献... 21
第二章塑性流动中的剪胀关系... 29
2.1 引言... 29
2.2 金属玻璃体积变形的原子模拟... 30
2.2.1模拟样品的形成... 30
2.2.2体积变形的加载... 31
2.2.3结果和讨论... 32
2.3 流动事件中的体胀应变... 33
2.3.1液体的“脆性－fragility”. 33
2.3.2液体“脆性”与固体性质的关联... 35
2.3.3液固关联的理论分析... 39
2.3.4剪切变形引起的体胀... 43
2.3.5 Novikov-Sokolov线性关联的成立条件... 45
2.4 小结... 45
参考文献... 46
第三章剪切带失稳的物理起源... 51
3.1 引言... 51
3.2 基本模型... 51
3.3 均匀变形... 54
3.4 线性扰动分析和固有尺度... 62
3.5 热力耦合的剪切带分析... 70
3.6 剪胀对剪切带失稳的影响... 75
3.7 小结... 78
参考文献... 79
第四章剪切带韧性和厚度... 83
4.1 引言... 83
4.2 帽形试样的“受迫”剪切... 83
4.3 实验结果与分析... 84
4.4 剪切带韧性... 87
4.4.1局部剪切带演化模型... 87
4.4.2剪切带韧性... 90
4.5 剪切带厚度... 92
4.6 小结... 96
参考文献... 96
第五章切削过程中周期剪切带的形成机理... 99
5.1 引言... 99
5.2 实验材料及切削过程... 100
5.3 实验结果... 101
5.4 理论模型和讨论... 103
5.4.1热力耦合的正交切削模型... 103
5.4.2线性扰动分析和极限环失稳... 106
5.4.3片状切屑的形成... 110
5.5 小结... 111
参考文献... 111
第六章断裂过程中的能量耗散机制... 115
6.1 引言... 115
6.2 实验材料和过程... 116
6.3 实验结果... 117
6.3.1准静态压缩实验... 117
6.3.2动态压缩实验... 118
6.3.3准静态拉伸实验... 119
6.3.4高速平板冲击实验... 120
6.4 讨论... 121
6.4.1 从实验中提取的信息... 121
6.4.2 能量耗散机理... 123
6.4.3 应用到金属玻璃的断裂过程... 126
6.5 小结... 131
参考文献... 132
第七章全文总结及展望... 135
7.1 主要结论... 135
7.2 创新点... 136
7.3 展望... 136
致谢... 139
博士期间的研究成果
1. 发表文章
1) M.Q. Jiang and L.H. Dai, On the Origin of Shear Banding Instability in Metallic Glasses, J. Mech. Phys. Solids (2009), doi:10.1016/j.jmps.2009.04.008
2) M.Q. Jiang, Z. Ling, J.X. Meng, and L.H. Dai, Energy Dissipation in Fracture of Bulk Metallic Glasses via Inherent Competition between Local Softening and Quasi-cleavage, Philos Mag. 88, 407-426 (2008).
3) M.Q. Jiang and L.H. Dai, Intrinsic Correlation between Fragility and Bulk Modulus in Metallic Glasses, Phys. Rev. B 76, 0542041-7 (2007).
4) M.Q. Jiang and L.H. Dai, Formation Mechanism of Lamellar Chip in Machining Bulk Metallic Glass, Acta Mater. 57, 2730-2738 (2009).
5) M.Q. Jiang, W.H. Wang, and L.H. Dai, Prediction of Shear-band Thickness in Metallic Glass, Scripta Mater. 60, 1004-1007 (2009).
6) M.Q. Jiang, S.Y. Jiang, Z. Ling and L.H. Dai, Smaller Deborah Number Inducing More Serrated Plastic Flow of Metallic Glass, Comput. Mater. Sci. (2009), doi:10.1016/j.commatsci.2009.04.008
7) M.Q. Jiang, S.Y. Jiang, and L.H. Dai, Inherent Shear-dilatation Coexistence in Metallic Glass, Chin. Phys. Lett. 26, 0161031-3 (2009).
8) M.Q. Jiang and L.H. Dai, On Mechanical Properties of Metallic Glass and its Liquid Vitrification Characteristics, Adv. Mater. Res. 41-42, 247-252 (2008).
9) J.X. Meng, Z. Ling, M.Q. Jiang, H.S. Zhang, and L.H. Dai, Dynamic Fracture Instability of Tough Bulk Metallic Glass, Appl. Phys. Lett. 92, 1719091-3 (2008).
10) S.Y. Jiang, M.Q. Jiang, L.H. Dai, and Y.G Yao, Atomic Origin of Rate-dependent Serrated Plastic Flow in Metallic Glasses, Nanoscale Res. Lett. 3, 524-529 (2008).
11) 戴兰宏，蒋敏强，液体的fragility及其与玻璃固体力学性能的关联，力学进展37, 346-360 (2007).
12) J.K. Chen, M.Q. Jiang, and J. Zhu, Damage Evolution in Cement Mortar due to Erosion of Sulphate, Corrosion Sci 50, 2478-2483 (2008).
13) M.H. Zhang, M.Q. Jiang, and J.K. Chen, Variation of Flexural Strength of Cement Mortar Attacked by Sulphate Ions, Eng. Fract. Mech. 75, 4948-4957 (2008).
14) J.K. Chen and M.Q. Jiang, Long-term Evolution of Delayed Ettringite and Gypsum in Portland Cement Mortars under Sulphate Erosion, Constr. Build. Mater. 23, 812-816 (2009).
15) J. Zhu, M.Q. Jiang, and J.K. Chen, Equivalent Model of Expansion of Cement Mortar under Sulphate Erosion, Acta Mech. Solida Sin. 21, 327-332 (2008).
2. 国内外学术报告
1) M.Q. Jiang, S.Y. Jiang, Z. Ling, and L.H. Dai, Effect of Strain Rate and Temperature on Serrated Plastic Flow of Amorphous Metal Alloy, Proceedings of the 18th International Symposium on Computational Mechanics of Materials,58-60, Beijing, PR China, Sept 2008.
2) L.H. Dai, M.Q. Jiang, L.F. Liu, and Y.L. Bai, Shear Banding and Fracture Behaviors of Bulk Metallic Glasses under Dynamic Loading, Proceedings of the 18th DYMAT technical meeting, 101-108, Bourges, France, Sept 2008.
3. 获奖情况
1) 2005-2006年中科院力学所博士新生二等奖学金
2) 2007年中科院力学所博士开题二等奖学金
3) 2008年中科院力学所博士进展一等奖学金
4) 2009年中科院力学所郭永怀奖学金（一等）
5) 英国《哲学杂志》、《哲学杂志快报》和Maxwell基金会联合颁发的James Clerk Maxwell Young Writers Prize（2008年度）第二名
https://blog.sciencenet.cn/blog-43310-231043.html
上一篇：游京东大峡谷
下一篇：材料简史
