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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，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，在聲速下發生的動態材料失效，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，可以產生極高的應變率，產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，在材料中產生一個張力區域。根據拉伸應力的大小和持續時間的不同，材料可能會破壞，這種動態現象稱為剝落。

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，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）數據，各230萬像素，如圖1A示意圖所示。小角X射線散射（SAXS），監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可以實現的科學范圍的擴展。結果表明，最終破壞是通過空洞成核、長大和合并發生的，與分子動力學模擬的結果吻合較好。

圖1 實驗布置在LCLS和初始銅箔微觀結構的細節。

圖2通過銅箔及插圖漫畫協助解說當沖擊波通過銅箔傳播時散射數據的演變。

圖3 由SAXS模型推導出的沖擊波通過銅箔時的微觀結構演變規律與實驗數據吻合較好。

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構、內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。實驗的時間尺度直接可與MD模擬中實現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，并提供了對動態高應變率破壞過程中第一個定量測定。（文：水生）

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