| 题名 | 几种块体金属玻璃室温剪切变形行为研究 |
| 作者 | 姚佳昊 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 卢柯 |
| 关键词 | 块体金属玻璃 剪切变形 塑性 Zr基合金 Fe基合金 Al基合金 |
| 其他题名 | Studies on the room-temperature shear deformation behavior of several bulk metallic glasses |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 金属玻璃具有高强度、高硬度、高弹性极限与良好的耐磨性等优点。然而，块体金属玻璃（BMG）在室温附近的形变无明显的宏观塑性，通常发生剪切带的失稳扩展，导致灾难性断裂，这严重制约了金属玻璃作为结构材料的广泛应用。近年来研究发现某些块体金属玻璃在室温压缩条件下可呈现一定的塑性形变，具有一定的抵抗剪切带和裂纹迅速扩展，从而避免灾难性断裂的能力。目前，有关块体金属玻璃的塑性变形机制存在争议，其变形中的塑性来源尚缺少普适的理解。 块体金属玻璃形变过程中的剪切变形是影响金属玻璃塑性变形能力的主要因素，开展这一方面的研究对金属玻璃作为工程结构材料的应用前景有着重要意义。本文遴选Zr基、Fe基及Al基三个具有代表性的块体金属玻璃合金体系，从单轴拉伸或压缩这一材料的基本变形方式出发，研究了不同体系块体金属玻璃的力学性能和变形断裂行为，以期理解块体金属玻璃单轴应力状态下的力学性能与其剪切变形之间的关系。主要结果如下： 1. Zr基BMG在拉伸状态下的断裂模式以剪切为主，其拉伸应力－应变曲线未呈现明显的塑性变形阶段。与一般脆性材料相比，由于其断裂机制不同，Zr48Cu45Al7 BMG具有较高的拉伸强度和压缩强度的对称性，拉伸断裂由剪切应力达到一定临界值时剪切带的失稳扩展导致。Zr48Cu45Al7 BMG具有稳定的拉伸断裂强度分布，利用Weibull统计分析发现其拉伸状态下的Weibull模数为36.5，明显高于一般脆性材料，意味着BMG具有较高的可靠性。 2. 含有CuZr相的Zr47.5Cu47.5Al5 BMG复合材料的拉伸力学性能与晶体相含量和分布有关。随着晶体含量升高，试样的断裂强度逐渐下降，塑性逐渐增加。晶体相含量低于5%的复合材料的应力－应变曲线与完全玻璃态样品类似；含有20%晶体相的BMG复合材料则表现出应变硬化趋势，其屈服强度为730 MPa，断裂强度为1046 MPa，塑性应变为2.0%；以CuZr晶体相为主的试样应力－应变曲线表现出明显的应变硬化现象，拉伸塑性为4%左右，其断裂强度降低至500 MPa左右。 3. 利用基于原子团簇有效堆积的金属玻璃结构模型，较为准确地预测了Fe−Nb−B和Fe−Zr−B合金系具有最佳玻璃形成能力（GFA）的合金成分。实验发现，Fe−Nb−B、Fe−Zr−B三元系和Fe−(Nb, Zr)−B四元系中具有最佳GFA的合金分别为Fe71Nb6B23、Fe77Zr4B19和Fe71(Nb0.8Zr0.2)6B23，其玻璃形成临界尺寸分别为1.5 mm、<1 mm和2 mm。在Fe−B系合金中加入Nb元素较加入Zr元素能够获得更深的共晶反应和更陡峭的液相线，有效地提高了合金的GFA。Fe−(Nb, Zr)−B体系成分空间内具有最佳GFA的Fe71(Nb0.8Zr0.2)6B23合金略偏离连接两个三元成分平面最佳GFA成分的直线上，玻璃形成行为符合相选择关系。 4. 具有高泊松比的Nb元素的加入可以显著提高Fe基BMG的塑性变形能力；同时有利于Fe基BMG中基于(Fe,M)23B6相的网络状结构的形成，从而保持Fe基BMG的超高强度。通过合金设计制备的Fe71Nb6B23 BMG压缩状态下可以发生剪切带的稳定扩展，塑性应变为1.6%；断裂强度为4.85 GPa，为目前报道的强度最高的Fe基BMG。Fe71Nb6B23 BMG在压缩状态下主剪切面发生较大的塑性流变，出现明显的脉络花样；镜面状断口形成周期性纳米条纹。对断口花样与断裂韧度关系的研究说明周期性纳米条纹与BMG的本征变形机理无明显联系。 5. 新发现的Al基BMG的压缩断裂强度约为1050-1140 MPa，其比强度高达3. 4 ´ 105 Nm kg-1。试验机刚度对Al基BMG的压缩变形模式有重要影响。在低刚度条件下，Al基BMG表现为由沿主剪切面发生的单一剪切带失稳扩展导致的宏观脆性断裂，几乎没有塑性变形阶段。而在高刚度的条件下Al基BMG不发生失稳断裂现象；Al86Ni6Y4.5Co2La1.5和Al86Ni7Y4.5Co1La1.5合金的变形模式为单一剪切带的稳定扩展；Al86Ni7Y5Co1La1 合金的初始变形模式则为多重剪切带均匀分布的稳定变形。试样在沿主剪切面的滑移过程中发生锯齿流变，主剪切面上出现滑移台阶。高刚度条件下应变速率对Al基BMG的压缩变形有一定影响：随着应变速率的增加，试样沿主剪切面的滑移速度增加，主剪切面上的滑移台阶越来越不明显；高应变速率下Al86Ni7Y5Co1La1合金的稳定均匀塑性变形能力下降，压缩变形模式变为单一剪切带的稳定扩展。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 145 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17161]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 姚佳昊. 几种块体金属玻璃室温剪切变形行为研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
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