中科院力学所非线性力学国家重点实验室戴兰宏研究员负责的国家杰出青年科学基金项目“块体金属玻璃剪切带形成与演化动力学”近日通过结题验收。验收专家组综合评价为A。

块体金属玻璃（也称非晶合金）作为新型结构材料已在国防、空天等众多高新技术领域显示出广阔的应用前景。然而，该材料在室温下极易形成纳米尺度的变形局部化剪切带，并很快诱导材料发生动态脆性断裂，导致材料呈现低的宏观塑性，极大地限制了其作为结构材料的应用。因此，探索块体金属玻璃的剪切带形成机制、演化动力学以及剪切带诱致断裂的机理显得尤为迫切。该项目针对这一关键力学问题，系统、深入地开展了实验研究、理论分析和数值计算工作，揭示了剪切带形成的新机制、演化动力学规律及其诱致的断裂机理，这对于推动非晶合金材料力学的基础研究和实际应用都具有重要意义。

经国家自然科学基金委结题评审，专家组一致认为，项目达到了预期的研究目标，取得了一系列基础性、创新性的研究进展，主要表现在以下几个方面：（1）建立了块体金属玻璃自由体积－热－粘塑性剪切流动理论框架，得到了具有明确物理内涵的剪切失稳判据。该判据由一个受温度影响的反映自由体积聚集速率过程和自由体积扩散速率过程相互竞争的无量纲Deborah数来表征。揭示了金属玻璃剪切带的形成物理起源，即自由体积和热耦合软化促进，其中自由体积软化起主控作用，热软化作为二次效应辅助促进作用。建立了金属玻璃新的本构模型，将失稳判据推广到多种复杂应力状态，理论预测了剪切带扩展方向。（2）建立了金属玻璃剪切带演化动力学模型，发展“剪切带韧性”概念来表征不同金属玻璃体系对于剪切带扩展的敏感程度，揭示出剪切带演化动力学过程主要由动量耗散与自由体积耗散的竞争控制，成功预测了金属玻璃的剪切带厚度和多重剪切带的间距，发现金属玻璃中剪切带的厚度取决于微观流动事件“剪切转变区”（Shear Transformation Zone, STZ）运动导致的局部拓扑失稳，而间距则取决于自由体积耗散和动量耗散的竞争。（3）发现金属玻璃在压剪复合加载下呈现周期纳米尺度剪切带特征，揭示其本质上是一种自发的极限环失稳，背后的控制机理是自由体积流和源的对称破缺。提出了表征金属玻璃“准解理”断裂的“拉伸转变区”（Tension Transformation Zone, TTZ）原子团簇运动模型及金属玻璃韧脆断裂转变准则，阐明了金属玻璃在断裂过程中的能量耗散机制是纳米尺度TTZ和STZ这两个耦合元过程的固有竞争。（4）从基本原子团簇结构和原子间相互作用势出发，建立了金属玻璃的统一断裂准则，揭示出两个无量纲参数α（表征压力敏感效应）和β（剪胀效应）耦合控制这类材料的宏观断裂行为，并进一步构造了金属玻璃的断裂图谱。（5）提出一种新概念的金属玻璃梯度复合Whipple空间防护结构，超高速撞击实验表明该结构具有显著的防护效果，在航天器空间防护等相关领域具有重要的应用前景。

上述研究成果已在J. Mech. Phys. Solids, Philos. Mag., Acta Mater., Int. J. Impact. Eng., Appl. Phys. Lett., J. Appl. Phys.等重要学术期刊发表论文24篇，其中SCI收录23篇，在国际学术会议上作邀请报告共10次，得到了国内外同行的多次引用与高度评价。项目期间培养博士生3名，硕士生3名。其中1人获2008年度英国 “麦克斯韦青年作者奖”、2009年度中国科学院院长优秀奖，2010年度中国科学院优秀博士学位论文、2011年度全国优秀博士学位论文提名。

图1 金属玻璃压剪复合加载下形成周期纳米尺度剪切带

图2. 金属玻璃断裂过程中的能量耗散机制：纳米尺度TTZ和STZ耦合元过程的固有竞争