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脆性金属玻璃断面上的奇妙图案


□ 夏兴祥 王永田 汪卫华

  摘 要文章简要介绍了脆性块体金属玻璃(简称BMG)断裂面上几种主要的图案花样:河流花样、“韧窝”结构花样和自组装条纹结构花样,并总结了目前对上述各种形貌形成机理的可能的物理解释.对BMG断裂面上形貌的研究可以揭示材料的断裂机理,有助于更深刻地理解材料的力学性能, 开发高性能金属玻璃材料,并为工程选材提供安全标准.
  关键词金属玻璃,断裂形貌,韧窝,条纹
  
  Magical patterns on the fracture surface of brittle bulk metallic glasses
  XIA Xing-|XiangWANG Yong-|TianWANG Wei-|Hua
  
  (Beijing National Laboratory for Condensed Matter physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)
  
  AbstractA series of characteristic patterns on the fracture surface of brittle bulk metallic glasses, including river-like patterns, dimple structures and self-|organized corrugations, are briefly described and possible explanations for their formation are summarized. Studies of these patterns can reveal and further our understanding of the fracture mechanism andmechanical behavior of the material. Moreover, this will be helpful for the design of high-performance metallic glasses and for defining safety criteria when selecting materials for engineering purposes.
  
  Keywordsmetallic glasses, fracture morphology, dimple, stripe
  
  1 引言
  
  当伽利略从比萨斜塔上扔下金属球和木球后,他看到了落体运动的秘密.试想如果他扔下一个玻璃球,他又能得到什么呢?在人们使用各种材料的长期实践中,曾观察到了大量的断裂现象.自上个世纪以来,世界上不断发生的许多灾难性的破坏事件,很多都是由低应力脆断造成的.同时,地质学等学科上也存在大量的脆性断裂现象,如地层的开裂和山体的滑坡等.因此材料的断裂问题始终是工程结构设计主要关注的问题,对断裂特征及断裂机理的研究能够加深人们对材料力学性能的理解以及充分提高材料的性能.同时其相关理论对地质演变过程和对地震、火山、泥石流等自然灾害的研究有重要意义.
  研究断裂行为和断裂机理的最直接和最有效的方法是观察其断裂面,因为材料在断裂面上保留着材料断裂过程中的各种信息.关于材料脆性断裂问题最早可以追溯到上个世纪20年代Griffith进行的氧化物玻璃断裂实验.尽管人们已经对氧化物玻璃的断裂问题进行了细致深入的研究,但对在其断裂的微观机理还存在着争议[1,2,3].Kelly等人[4]的研究认为,金属材料断裂时裂纹尖端存在塑性变形,而氧化物玻璃等非金属材料属于理想脆性断裂.Rice和Thomson[5]对这种理想脆性断裂进行了理论上的描述,并由Guin和Wiederorn[3]通过实验证实.Celarie等人[2]认为,玻璃材料在发生断裂时,裂纹前端出现纳米级的孔洞并可能存在该尺度上非常局域的塑性变形,而随后Guin等人[3]利用AFM进一步研究,并未发现该纳米级孔洞,并认为玻璃材料的断裂过程是理想脆性断裂.传统的氧化物玻璃和有机玻璃导电性很差,难以使用高分辨扫描电镜(HRSEM)来观察其断裂面在纳米尺度上的结构特征,不利于深入地研究材料的断裂问题.在上个世纪60年代,金属玻璃的诞生进一步拓宽了断裂行为的研究领域.目前已开发出的各种块体金属玻璃(BMG),其断裂韧性从镁基BMG的2MPa·m1/2[6,7] ,到锆基BMG的86MPa·m1/2[8],基本上跨越了从氧化物玻璃(其断裂韧性为~1MPa·m1/2)到合金钢等常规金属材料(其断裂韧性为~100MPa·m1/2)的整个区间.同时金属玻璃具备氧化物玻璃和有机玻璃不具备的良好导电性,为深入研究材料的断裂行为和断裂机理提供了理想的材料.
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摘自:物理 2008年第02期  
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