塊體金屬玻璃的力學(xué)行為

1、塊體金屬玻璃(BMG)的力學(xué)行為不同于傳統(tǒng)的金屬材料，塊體金屬S(BMG)是一種具有長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序結(jié)構(gòu)的金皿材料，不存在品界與堆垛層錯(cuò)尊晶體缺陷口這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)使其具有比常規(guī)晶態(tài)合金更優(yōu)異的力學(xué)、物理、及化學(xué)性褪附.在力學(xué)性能方面，BMG材料具有高強(qiáng)度、高酸度，低彈性楔量尸其強(qiáng)度為相應(yīng)晶態(tài)合金的27倍如新近開(kāi)發(fā)的CoTaB金屬玻璃苴壓縮屈服強(qiáng)度高達(dá)6GPat該合金是目前已知的強(qiáng)度最島的塊體金屬材料【氣在物理性能方面，F(xiàn)e基金図玻璃貝有優(yōu)異軟確性能低的矯頑力)以及高的碓導(dǎo)率。化學(xué)性能方面”BMG材料履現(xiàn)出了良好的耐廣燭性和生物相容性。此外.BMG材料在過(guò)冷液相區(qū)還具有良好的超塑性及精密成

2、型性能.這些優(yōu)良的性能便BMG材料在未來(lái)的電子信息、航天航空、體育器材、精密機(jī)械和軍事領(lǐng)域梵有廣闊的應(yīng)用前景【嘰然而B(niǎo)MG材料具有明顯的室溫脆性.并且對(duì)原材料純度和制備垂件有著嚴(yán)格的要求.從而嚴(yán)重制約了的廣泛應(yīng)用.因此.本章首先從塊怵金屬BMG的力學(xué)性能及變形機(jī)理出發(fā).綜述內(nèi)生BMG笑合材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以及內(nèi)生晶體相/BMG復(fù)合材料微觀組織控制技術(shù)研究進(jìn)屣：接下來(lái)介紹梢選擇原理在BMG及其更合材料中的應(yīng)用；最后探討了氧元秦對(duì)BMG及其復(fù)合材料形成能力、力學(xué)性能的形響.自從上世紀(jì)70年代#Chen等人柯成功制備出毫米級(jí)的Pd-Cu-Si三元塊體非晶合金B(yǎng)MG的力學(xué)性能就成為研究的熱點(diǎn)研究人員對(duì)

3、艮拉伸、壓縮、疲勞、撕裂等性能都進(jìn)行了大僦的研兗，其力學(xué)性能總結(jié)如下：(1) BMG合金具有高的室溫?cái)嗔褟?qiáng)度可和維氏磽度耳圖1J為BMG及傳竦合金的拉伸斷裂強(qiáng)度(口小維氏硬度(HJ與楊氏模量(E的關(guān)系I叭從中可以看出，BMG的可、為其相應(yīng)傳統(tǒng)合金的2-3ft,如Mg基金屬玻璃室溫?cái)嗔褟?qiáng)度達(dá)到了100QMP%而一絵Mg合金的斷裂強(qiáng)度只有300MPa>Fe-B基BMG斷裂強(qiáng)度超過(guò)了4000MPa>遠(yuǎn)髙于同類鋼鐵材料*(2) BMG合金具有高彈性應(yīng)變和彈性極限BMG臺(tái)金的彈性應(yīng)變極限達(dá)到了2%,接近理想彈性極限口此外.BMG合金的奇強(qiáng)度和彈性應(yīng)變便其具有極離的彈性比功，如Zr基BMG合金

4、的彈性比功高達(dá)19.0MJ/m約為性能最好的彈簧鋼的8倍I嘰40002畑2009ISO©im40002畑2009ISO©imJ1/*二/1(b)w1I/JZtesebufta“/vieoc/-/-/ZImcbdk蚌/4/ZJMfhu,TRmedMkfiati»Tl-b»dM0M%Zf4wdtaAflMihMmedbdkftes>MK)Zr-bwdWkhlgcrfbdLg-/XY.f亍Mr4medba&ffa»O乙V*七nwvr釗40>0004>00l«»MMY<u<sMo(Mi0(GRi

5、)i»lotmYom<>Modbus(GPa)圖1.1BMG及傳統(tǒng)合金的拉伸斯裂強(qiáng)度(臥維氏碇度(HJ與楊氏模(£)的關(guān)系(3) 高斷裂韌性和良好的耐廉性能除了Mg、Fe基金屬玻璃外，多數(shù)BMG具有高的斷裂韌性，和鋼鐵相當(dāng)，如圖12所示問(wèn)由于BMG具有高的硬度和斷裂韌性，因此多數(shù)BMG合金也具有良好的耐磨性。圖12BMG合金和傳統(tǒng)材料腸服強(qiáng)度斷裂初性關(guān)系圖(4) 在過(guò)冷液相區(qū)，BMG合金良好的超塑性BMG合金在室溫下呈脆性斷裂，無(wú)塑性應(yīng)變，然而當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度超過(guò)玻璃轉(zhuǎn)變溫度T.進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)時(shí)，BMG合金卻可以產(chǎn)生均勻的塑性流變，NgTigCugNiioBedBMG

6、在室溫下無(wú)塑性應(yīng)變，而當(dāng)溫度達(dá)到663K進(jìn)入過(guò)冷液相區(qū)時(shí)，其應(yīng)變量超過(guò)了40%叫LassAhsNizo塊體非晶在過(guò)冷液相區(qū)其延伸率甚至可以達(dá)到15000%叭(5) BMG合金嚴(yán)重的室溫脆性BMG在具有上述一系列突出力學(xué)性能的同時(shí)，也存在著策大缺陷即室溫脆性.圖1.3為BMG、傳統(tǒng)晶態(tài)合金的室溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖。從圖中可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)晶態(tài)合金具有顯著的塑性變形和加工硬化行為，BMG合金的變形以彈性階段為主，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限，BMG合金將災(zāi)難性斷裂，無(wú)塑性應(yīng)變.這嚴(yán)重制約了BMG作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用.圖1.3BMG、傳統(tǒng)晶態(tài)合金的室溫拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖BMG室溫變形、斷袈機(jī)制

7、由于BMG合金中不存在晶界和位錯(cuò)等，這使BMG合金與傳統(tǒng)晶體材料有著完全不冋的變形、斷裂機(jī)制.BMG合金室溫下的塑性變形極不均勻，表現(xiàn)為高度局域化的、不均勻的塑性流變.目前，BMG合金變形機(jī)制主要為自由體積模型和絕熱升溫軟化模型：(1)自由體積模型自由體積模型認(rèn)為，合金熔體在冷卻形成BMG的過(guò)程中會(huì)形成一部分過(guò)剩自由體積，這部分自由體積在變形的過(guò)程中起著決定性的作用在應(yīng)力的作用下，自由體枳通過(guò)原子的擴(kuò)敝改變著其總量及分布在應(yīng)力集中的地方.形成相當(dāng)多的自由體積，它降低了BMG的局部密度，減小了變形的抗力，造成局域粘滯流動(dòng)，使變形集中于單個(gè)剪切區(qū)，從而宏觀表現(xiàn)為脆性斷裂。1977年，Spaepen

8、根據(jù)自由體枳模型，計(jì)算了變形圖上的均勻流動(dòng)與非均勻流動(dòng)區(qū)域的邊界線.Spaepen還對(duì)原子擴(kuò)散和躍遷過(guò)程進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出承受剪應(yīng)力的非晶結(jié)構(gòu)，剪應(yīng)力、自由體積和應(yīng)變速率間的關(guān)系的流變方程，并進(jìn)一步分析了高應(yīng)力導(dǎo)致過(guò)剩自由體積產(chǎn)生的過(guò)程，獲得了單位時(shí)間自由體積產(chǎn)生和淹沒(méi)的表達(dá)式岡.1979年,Argon110,在自由體積模型的基礎(chǔ)上，提出了ShearTransformationZone(STZ)模型，這一模型更清楚地解釋剪切帶的形核和擴(kuò)展.Argon認(rèn)為，在外加應(yīng)力的作用下，自由體積開(kāi)始聚集并引起應(yīng)變軟化，從而使塑性變形集中于100個(gè)原子左右的微小區(qū)域圖1.4是非晶合金變形的原子變形機(jī)制的二維

9、圖.從中可以看出，通過(guò)原子的躍遷，局域帳子結(jié)構(gòu)進(jìn)行賣排，自由體積合并累積，最終形成密集剪切帶。STZ區(qū)的尺寸、結(jié)構(gòu)和能受BMG成分、冷卻速率等影響，冷卻速率越快，自由體積越多，STZ區(qū)越容易形成，所需的外加應(yīng)力也就越低.圖1.4非晶合金變形的原子變形機(jī)制対二維圖“012009年，Dubach等人何在Argon所提出的理論的基礎(chǔ)上，提出了BMG室溫下非均勻變形的本構(gòu)方程.其表達(dá)式為：dlna=mjdlnf+dlnm.=m,+'沁dna(12)其中，dlno表示流動(dòng)應(yīng)力的瞬變，g表示應(yīng)變速率敏感指數(shù)，Kb為玻爾茲曼常數(shù)，Ag為內(nèi)部變量，是一種附加的能形式.該模型考電了弛豫過(guò)程中應(yīng)變速率對(duì)流

10、動(dòng)應(yīng)力的影響，并通過(guò)對(duì)非晶合金熱橄活剪切過(guò)程的微觀機(jī)制的分析，對(duì)應(yīng)變速率敏感指數(shù)進(jìn)行了修正.(2)絕熱升溫軟化模型不同于自由體積模型，絕熱升泡模型認(rèn)為，BMG鼻性變形中儲(chǔ)存的能童的釋放，將造成局域溫度的升高、形成局域絕熱剪切，從而產(chǎn)生塑性流變的集中.支持這一理論的直接證據(jù)是BMG合金斷裂過(guò)程中經(jīng)常觀察到火花現(xiàn)象，如圖15所示.此外，Lewandowski和1通過(guò)在ZsiTigCu心NiioBens非晶合金上包覆一層薄的低熔點(diǎn)錫，在剪切帶的附近可以清楚的觀察到錫熔化形成的液滴Johnson等I切在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)中.利用高速紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得剪切帶內(nèi)溫升可達(dá)775K,遠(yuǎn)趙過(guò)了該BMG合金玻璃轉(zhuǎn)變溫度這些都表明了在BMG變形的過(guò)程中，剪切帶存在著很明顯的溫升.在變形帶中，溫度超過(guò)玻璃轉(zhuǎn)變溫度，將導(dǎo)致合金局域的粘度大大下降，使合金軟化，從而產(chǎn)生了滑移。自由體積模型和絕熱升溫軟化模型對(duì)BMG合金室溫下的塑性變形極不均勻性給出了解釋。但暑，目前BMG的變形機(jī)制還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí).如Da