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Science子刊重磅:首次定量描述材料高应变率下失效过程

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编辑推荐:理解材料的高应变率变形及失效具有重要意义,是理解材料破坏的必要条件,更是建立和验证材料破坏本构模型的必要条件。但是由于速度太快难以用实验来量化材料的演变。本文将铜箔通过皮秒激光烧蚀快速应变(0.5×10^9 /s),并利用飞秒X射线自由电子(XFEL)脉冲进行了原位探测,首次定量描述了材料在高应变率条件下的失效过程。结果表明,最终破坏是通过空洞成核、长大和合并发生的,与分子动力学模拟的结果吻合较好。

理解高速碰撞,以及随后的高应变率材料变形和潜在的灾难性破坏,对于包括天体物理学、材料科学和航空航天工程在内的一系列科学和工程学科至关重要。由于在极短时间尺度下,用实验来量化材料的演变面临着巨大挑战,相关变形和破坏机制还没有被完全理解。

近日,来自SLAC国家加速器实验室的Jason Koglin等研究者,将铜箔通过皮秒激光烧蚀快速应变,并利用飞秒X射线自由电子(XFEL)脉冲进行了原位探测,首次定量描述了材料在高应变率条件下的失效过程。相关论文以题为“Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure”发表在Science Advances上。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabb4434

材料失效机制是速率相关的,在声速下发生的动态材料失效,是人们广泛关注的问题,例如,从行星碰撞到喷气发动机碎片碰撞、到激光冲击及其在飞秒加工和激光冲击喷丸中的应用。当衰减的激波到达自由表面或激波阻抗较低的界面时,可以产生极高的应变率,产生一个反向传播的稀疏波,它与正向传播的激波的衰减部分相互作用,在材料中产生一个张力区域。根据拉伸应力的大小和持续时间的不同,材料可能会破坏,这种动态现象称为剥落

之前的研究者实验中,施加的应力低于材料的剥落强度,并形成了一个初始的剥落区,而不是完全的材料破坏。然后用显微镜检查样品,并对微观尺度的空洞和裂纹进行量化。虽然这些实验对我们理解剥落具有重大意义,但二维图像的精度可能并不准确,而且根据定义,无法捕捉到失效点的孔洞分布。此外,这些较低的应力和应变率下的变形机制,可能不能代表更极端的条件和应变率下的变形机制。损伤演化的精确量化,是理解材料破坏的必要条件,更是建立和验证材料破坏本构模型的必要条件。

近年来,随着明亮X射线源和强短波长激光器的同步发展,使得在高应变率变形过程中,利用原位广角X射线散射(WAXS)探测晶格响应成为可能。该技术以前仅限于在时间尺度和长度尺度上建模预测,目前已被用于检测施加冲击后的初始压缩,并且还被用来证明材料可以在高应变率下保持非常高的瞬态拉伸应变。

此文中,研究者通过皮秒激光烧蚀,对多晶铜箔进行约0.5×109 s−1的快速应变,并使用Linac相干光源(LCLS)发出的30 fs超快X射线自由电子(XFEL)脉冲,进行了原位探测。使用两台Cornell-SLAC像素阵列探测器(CSPAD)同时记录WAXS和小角度X射线散射(SAXS)数据,各230万像素,如图1A示意图所示。小角X射线散射(SAXS),监测了孔隙分布的演化,广角散射(WAXS)同时决定了应变的演化。用超快SAXS在高应变率失效期间定量描述纳米尺度的能力,补充了WAXS,代表了XFEL可以实现的科学范围的扩展。结果表明,最终破坏是通过空洞成核、长大和合并发生的,与分子动力学模拟的结果吻合较好。

图1 实验布置在LCLS和初始铜箔微观结构的细节。

图2通过铜箔及插图漫画协助解说当冲击波通过铜箔传播时散射数据的演变。

图3 由SAXS模型推导出的冲击波通过铜箔时的微观结构演变规律与实验数据吻合较好。

图4 多晶铜试样高应变速率断裂强度实验测定的比较。

图5 MD模拟了冲击波通过铜箔时的微观结构、内应力和散射分布的演变。

综上所述,研究者通过原位超快-SAXS,直接定量测定了材料在剥落过程中的孔洞形核、生长、合并和最终破坏的顺序。利用布拉格衍射法同时确定了弹性应变状态。实验的时间尺度直接可与MD模拟中实现的时间尺度进行比较。飞秒分辨率原位超细-SAXS定量表征了高应变速率的散裂破坏,弥补了WAXS的缺陷,具有重要的应用价值。这项工作展示了,可以在XFEL源上进行的科学范围的扩展,并提供了对动态高应变率破坏过程中第一个定量测定。(文:水生)

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