江苏激光联盟导读：

了解高速撞击以及随后的高应变率材料变形和潜在的灾难性故障，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。鉴于要在极短的时间内以实验方式量化材料演化的挑战，因此尚未完全了解变形和破坏机制。

材料失效机制与速率有关，以音速发生的动态材料破坏受到广泛关注。但这些材料无论是被微陨石撞击的卫星，或是以超音速进入太空的航天器还是喷气发动机爆炸，它们都必须充分吸收所有能量，才不会发生灾难性的故障。

当材料中冲击波的衰减到达自由表面或较低冲击阻抗的界面时，会产生极高的拉伸应变率，从而产生反向传播的稀疏波，该反向传播的稀疏波与向前移动的冲击的衰减部分相互作用，从而产生拉伸区域。根据该拉应力的大小和持续时间，材料可能会失效，这种动态现象称为剥落。

在此之前，来自斯坦福研究所的Seaman等人在2008年发表的相关研究中检查了导致高应变率失效的孔隙形成。在这些实验中，所施加的应力低于材料的剥落强度，并且形成了初期的剥落区，这不是完全的材料破坏。然后用显微镜检查样品，并对微尺度的孔隙和裂缝进行定量。虽然这些实验对我们了解剥落是开创性的，但二维图像的精确度可能不准确，并且根据定义，它无法捕获破坏点本身的孔隙分布。此外，在这些较低的应力和应变率下的变形机制可能无法代表在更极端的条件和应变率下的变形机制。损伤演化的准确量化对于理解材料破坏是必不可少的，对于开发和验证本构材料破坏模型也是必不可少的。

来自美国迈阿密大学、英国约克大学、牛津大学、美国阿尔贡国家实验室先进光子源、法国艾克斯-马赛大学、英国帝国理工学院、美国SLAC国家加速器实验的国际研究团队使用超亮X射线首次观察了这些孔隙在受到极端冲击后如何演变并导致铜损坏的现象。该研究成果2020年12月16日发表在Science Advances上，题目为"Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure"。

图1. 在LCLS的实验安排以及初始铜箔微观结构的详细信息。

在实验中，研究人员用激光脉冲冲击了一个铜箔样品，然后从SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）的X射线自由电子激光发出的散射X射线穿过该材料，以追踪其变形。从两个探测器发出的散射X射线的图案中，他们能够看到震动是如何压缩的，然后在一个探测器中扩展了材料的原子晶格，同时观察了第二个探测器中的孔隙演化。Coakley表示，最初的挤压封闭了材料中先前存在的孔隙。当材料再次膨胀时，“随着损伤在材料的扩散，越来越多的小孔隙会成核并不断增长，就像一片瑞士奶酪。在某一时刻，它们开始结合在一起，直到最终被留下毛孔粗大导致最终失败。” 研究人员还发现，材料的强度或抵抗损坏的能力取决于施加和释放外部应力的速度。SLAC战略规划主任Despina Milathianaki表示，“ X射线的亮度和我们能够看到的时间范围对这项实验的成功至关重要。”他构思并监督了LCLS实验。“这些因素的组合使我们能够准确地追踪样本中发生的事情，因为它在时间和长度尺度上破裂，而以前只能模拟这些尺度，从而深入了解导致材料故障的潜在缺陷。” 

图5. MD模拟了冲击波通过铜箔传播时的微观结构，内部应力和散射曲线。

▲图解：(ai到av) MD模拟箔片在冲击波传播的五个连续时间处的选定箔片区域（即，不是完整的箔片）的代表性快照图像，示出了（i）初始压缩，（ii）完全压缩，（iii）膨胀，（iv）空隙形核和（v）空隙聚结。（ai）示出了晶界空隙（白色）的闭合，并且（aiv）和（av）也示出了空隙成核和膨胀。（bi到bv）沿冲击方向的相应模拟内部纵向应力和沿整个模拟箔片的两个法线方向平均的横向应力，其中正应力对应于压缩。（ci到cv）通过箔体的相应预测WAXS轮廓。（ci）的标记为1和2的峰分别对应于未压缩区域和压缩区域引起的散射。

该实验的重点是演示如何使用该技术来理解超快材料变形。研究人员计划在更先进的材料上，并在与实际应用更匹配的实验条件下进行未来的实验。Milathianaki说：“能够可视化并了解材料的整个生命周期令人兴奋，”。“这是在LCLS上进行的工作的一个很好的展示，可以更广泛地了解材料的失效。最终目标是完全了解材料如何失效，以便您可以设计出能够更好地承受这些严酷条件的新材料。”

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！

本文来源：James Coakley et al. Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure, Science Advances(2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb4434