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《Science》子刊重磅：首次定量描述材料高應變率下的失效過程！

2021-01-07 10:35:39 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科學與工程分享至：

理解高速碰撞，以及隨后的高應變率材料變形和潛在的災難性破壞，對于包括天體物理學、材料科學和航空航天工程在內(nèi)的一系列科學和工程學科至關重要。由于在極短時間尺度下，用實驗來量化材料的演變面臨著巨大挑戰(zhàn)，相關變形和破壞機制還沒有被完全理解。

近日，來自SLAC國家加速器實驗室的Jason Koglin等研究者，將銅箔通過皮秒激光燒蝕快速應變，并利用飛秒X射線自由電子（XFEL）脈沖進行了原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。相關論文以題為“Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure”發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabb4434

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材料失效機制是速率相關的，在聲速下發(fā)生的動態(tài)材料失效，是人們廣泛關注的問題，例如，從行星碰撞到噴氣發(fā)動機碎片碰撞、到激光沖擊及其在飛秒加工和激光沖擊噴丸中的應用。當衰減的激波到達自由表面或激波阻抗較低的界面時，可以產(chǎn)生極高的應變率，產(chǎn)生一個反向傳播的稀疏波，它與正向傳播的激波的衰減部分相互作用，在材料中產(chǎn)生一個張力區(qū)域。根據(jù)拉伸應力的大小和持續(xù)時間的不同，材料可能會破壞，這種動態(tài)現(xiàn)象稱為剝落。

之前的研究者實驗中，施加的應力低于材料的剝落強度，并形成了一個初始的剝落區(qū)，而不是完全的材料破壞。然后用顯微鏡檢查樣品，并對微觀尺度的空洞和裂紋進行量化。雖然這些實驗對我們理解剝落具有重大意義，但二維圖像的精度可能并不準確，而且根據(jù)定義，無法捕捉到失效點的孔洞分布。此外，這些較低的應力和應變率下的變形機制，可能不能代表更極端的條件和應變率下的變形機制。損傷演化的精確量化，是理解材料破壞的必要條件，更是建立和驗證材料破壞本構模型的必要條件。

近年來，隨著明亮X射線源和強短波長激光器的同步發(fā)展，使得在高應變率變形過程中，利用原位廣角X射線散射（WAXS）探測晶格響應成為可能。該技術以前僅限于在時間尺度和長度尺度上建模預測，目前已被用于檢測施加沖擊后的初始壓縮，并且還被用來證明材料可以在高應變率下保持非常高的瞬態(tài)拉伸應變。

此文中，研究者通過皮秒激光燒蝕，對多晶銅箔進行約0.5×109 s?1的快速應變，并使用Linac相干光源（LCLS）發(fā)出的30 fs超快X射線自由電子（XFEL）脈沖，進行了原位探測。使用兩臺Cornell-SLAC像素陣列探測器（CSPAD）同時記錄WAXS和小角度X射線散射（SAXS）數(shù)據(jù)，各230萬像素，如圖1A示意圖所示。小角X射線散射（SAXS），監(jiān)測了孔隙分布的演化，廣角散射（WAXS）同時決定了應變的演化。用超快SAXS在高應變率失效期間定量描述納米尺度的能力，補充了WAXS，代表了XFEL可以實現(xiàn)的科學范圍的擴展。結(jié)果表明，最終破壞是通過空洞成核、長大和合并發(fā)生的，與分子動力學模擬的結(jié)果吻合較好。

圖1 實驗布置在LCLS和初始銅箔微觀結(jié)構的細節(jié)。

圖2通過銅箔及插圖漫畫協(xié)助解說當沖擊波通過銅箔傳播時散射數(shù)據(jù)的演變。

圖3 由SAXS模型推導出的沖擊波通過銅箔時的微觀結(jié)構演變規(guī)律與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

圖4 多晶銅試樣高應變速率斷裂強度實驗測定的比較。

圖5 MD模擬了沖擊波通過銅箔時的微觀結(jié)構、內(nèi)應力和散射分布的演變。

綜上所述，研究者通過原位超快-SAXS，直接定量測定了材料在剝落過程中的孔洞形核、生長、合并和最終破壞的順序。利用布拉格衍射法同時確定了彈性應變狀態(tài)。實驗的時間尺度直接可與MD模擬中實現(xiàn)的時間尺度進行比較。飛秒分辨率原位超細-SAXS定量表征了高應變速率的散裂破壞，彌補了WAXS的缺陷，具有重要的應用價值。這項工作展示了，可以在XFEL源上進行的科學范圍的擴展，并提供了對動態(tài)高應變率破壞過程中第一個定量測定。（文：水生）

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