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《Science》子刊重磅：首次定量描述材料高應(yīng)變率下的失效過(guò)程！

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

理解高速碰撞，以及隨后的高應(yīng)變率材料變形和潛在的災(zāi)難性破壞，對(duì)于包括天體物理學(xué)、材料科學(xué)和航空航天工程在內(nèi)的一系列科學(xué)和工程學(xué)科至關(guān)重要。由于在極短時(shí)間尺度下，用實(shí)驗(yàn)來(lái)量化材料的演變面臨著巨大挑戰(zhàn)，相關(guān)變形和破壞機(jī)制還沒(méi)有被完全理解。

近日，來(lái)自SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Jason Koglin等研究者，將銅箔通過(guò)皮秒激光燒蝕快速應(yīng)變，并利用飛秒X射線自由電子（XFEL）脈沖進(jìn)行了原位探測(cè)，首次定量描述了材料在高應(yīng)變率條件下的失效過(guò)程。相關(guān)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(jī)制是速率相關(guān)的，在聲速下發(fā)生的動(dòng)態(tài)材料失效，是人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題，例如，從行星碰撞到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用。當(dāng)衰減的激波到達(dá)自由表面或激波阻抗較低的界面時(shí)，可以產(chǎn)生極高的應(yīng)變率，產(chǎn)生一個(gè)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(gè)張力區(qū)域。根據(jù)拉伸應(yīng)力的大小和持續(xù)時(shí)間的不同，材料可能會(huì)破壞，這種動(dòng)態(tài)現(xiàn)象稱為剝落。

之前的研究者實(shí)驗(yàn)中，施加的應(yīng)力低于材料的剝落強(qiáng)度，并形成了一個(gè)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(duì)微觀尺度的空洞和裂紋進(jìn)行量化。雖然這些實(shí)驗(yàn)對(duì)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(zhǔn)確，而且根據(jù)定義，無(wú)法捕捉到失效點(diǎn)的孔洞分布。此外，這些較低的應(yīng)力和應(yīng)變率下的變形機(jī)制，可能不能代表更極端的條件和應(yīng)變率下的變形機(jī)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(yàn)證材料破壞本構(gòu)模型的必要條件。

近年來(lái)，隨著明亮X射線源和強(qiáng)短波長(zhǎng)激光器的同步發(fā)展，使得在高應(yīng)變率變形過(guò)程中，利用原位廣角X射線散射（WAXS）探測(cè)晶格響應(yīng)成為可能。該技術(shù)以前僅限于在時(shí)間尺度和長(zhǎng)度尺度上建模預(yù)測(cè)，目前已被用于檢測(cè)施加沖擊后的初始?jí)嚎s，并且還被用來(lái)證明材料可以在高應(yīng)變率下保持非常高的瞬態(tài)拉伸應(yīng)變。

此文中，研究者通過(guò)皮秒激光燒蝕，對(duì)多晶銅箔進(jìn)行約0.5×109 s?1的快速應(yīng)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(jìn)行了原位探測(cè)。使用兩臺(tái)Cornell-SLAC像素陣列探測(cè)器（CSPAD）同時(shí)記錄WAXS和小角度X射線散射（SAXS）數(shù)據(jù)，各230萬(wàn)像素，如圖1A示意圖所示。小角X射線散射（SAXS），監(jiān)測(cè)了孔隙分布的演化，廣角散射（WAXS）同時(shí)決定了應(yīng)變的演化。用超快SAXS在高應(yīng)變率失效期間定量描述納米尺度的能力，補(bǔ)充了WAXS，代表了XFEL可以實(shí)現(xiàn)的科學(xué)范圍的擴(kuò)展。結(jié)果表明，最終破壞是通過(guò)空洞成核、長(zhǎng)大和合并發(fā)生的，與分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果吻合較好。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置在LCLS和初始銅箔微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

圖2通過(guò)銅箔及插圖漫畫(huà)協(xié)助解說(shuō)當(dāng)沖擊波通過(guò)銅箔傳播時(shí)散射數(shù)據(jù)的演變。

圖3 由SAXS模型推導(dǎo)出的沖擊波通過(guò)銅箔時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖4 多晶銅試樣高應(yīng)變速率斷裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)定的比較。

圖5 MD模擬了沖擊波通過(guò)銅箔時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力和散射分布的演變。

綜上所述，研究者通過(guò)原位超快-SAXS，直接定量測(cè)定了材料在剝落過(guò)程中的孔洞形核、生長(zhǎng)、合并和最終破壞的順序。利用布拉格衍射法同時(shí)確定了彈性應(yīng)變狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)的時(shí)間尺度直接可與MD模擬中實(shí)現(xiàn)的時(shí)間尺度進(jìn)行比較。飛秒分辨率原位超細(xì)-SAXS定量表征了高應(yīng)變速率的散裂破壞，彌補(bǔ)了WAXS的缺陷，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)工作展示了，可以在XFEL源上進(jìn)行的科學(xué)范圍的擴(kuò)展，并提供了對(duì)動(dòng)態(tài)高應(yīng)變率破壞過(guò)程中第一個(gè)定量測(cè)定。（文：水生）

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