非晶合金中锯齿流变动力学的研究

非晶合金在外力场的作用下会出现间接性的锯齿流,锯齿具有空间和时间的无序分布性,能够反映塑性变形过程中剪切带的演化过程。借助于混沌理论、自组织临界理论、统计分析、分形和平均场理论等数学方法进行了锯齿动力学研究。发现非晶合金的塑性流变行为与材料的本征结构、试样尺寸、加载试验机的刚度、温度和应变速率等密切相关,揭示了非晶合金的塑性变形过程中剪切带滑移不稳定性的演化特点。试样尺寸小、低温或高应变速率下加载的韧性非晶试样的塑性流变动力学呈现类自组织临界状态,锯齿的幅值分布具有无标度性特点,剪切带之间的交互作用强,剪切带过程相对稳定。低温下大的分形维数说明剪切带分叉速率快,触发了剪切带之间的交互作用。简单的平均场理论证实了非晶合金的塑性可受应变速率调控。这些结论为进一步探索非晶合金的塑性提供了新的思路。     

块体金属玻璃的加工硬化行为

块体金属玻璃(BMG)具有高强度、高硬度和大的弹性应变极限等独特的力学性能。然而由于缺乏位错、孪生等晶态缺陷,金属玻璃通过高度局域化的剪切带发生塑性变形,因此其通常不显示加工硬化行为,而发生应变软化和/或热软化。这导致了BMG早期灾难性失效,极大地限制了其广泛的工程应用。然而近年来,人们在一些单相BMG材料中观察到了明显的加工硬化行为。这引起了工程界学者的极大兴趣,也引发了关于金属玻璃加工硬化起源机制的讨论。目前人们对于金属玻璃的结构如何影响其性能和形变行为的理解还非常有限,BMG的加工硬化起源仍是当前颇具争议的研究热点。但总的说来,BMG的加工硬化行为与外加应力(能量)引起的内部结构改变,包括多重剪切带的形成、自由体积的演化和纳米晶化行为等密切相关,并最终涉及其变形过程中的剪切带行为。Cu47.5Zr47.5Al5是被最早报道的可加工硬化的塑性BMG。相关研究认为,合金中存在的不同尺度的化学和/或结构非均匀性促进了材料变形过程中多重剪切带的形成和增殖;而大量剪切带在三维方向上的交互作用导致了材料流变应力的增加,从而引起加工硬化。这就是BMG的加工硬化机理,该理论最早由Das等提出,后来被更多研究所证实。之后,研究者们在某些BMG加载-卸载循环纳米压痕试验中观察到了应变硬化-软化现象,并提出了BMG加工硬化的"自由体积模型"。他们认为,外加剪应力的改变导致了非晶结构内部净自由体积的变化,进而通过其对塑性变形微区剪切带行为的影响引起材料硬度的变化。Chen等在对均质结构的Cu50Zr50非晶条带进行弯曲变形后,检测到剪切带内原位纳米晶化,并基于对剪切带-纳米晶相互作用的实验观察,发展了形变诱导纳米晶化导致的应变硬化机制。这些工作丰富和发展了BMG加工硬化的基本原理及其研究方法。本文简要介绍了通常用来评估金属材料加工硬化能力的方法 /参数,并概述了金属玻璃中的剪切带行为;在此基础上,通过对几种典型的BMG加工硬化行为的分析,归纳性地讨论了BMG加工硬化起源可能的机制,以期为研究BMG的力学行为、开发性能优异的塑性BMG结构材料提供参考。     

块体非晶合金韧塑性研究现状

提高室温塑性和断裂韧性是块体非晶合金作为先进结构材料应用亟待解决的关键科学问题,理解应力加载时的室温塑性变形机制是提高其韧塑性的前提。块体非晶合金通过高度局域化的剪切带形成和扩展而产生塑性变形,提高其室温塑性取决于剪切带的均匀化分布程度。研究者们在该领域做了深入细致的研究工作,如喷丸、设计高泊松比的非晶、设计具有微观起伏结构的铸态相分离非晶以及引入晶相增韧等,使块体非晶合金的韧塑性得到有效改善。从第二相韧塑化非晶基复合材料、泊松比判据、尺寸效应、非晶表面涂层增韧、通过预变形预制多重剪切带改善塑性、冷热循环处理抗非晶合金老化等方面,综述了块体非晶合金韧塑化的研究热点,韧塑性判据,控制剪切带形成、扩展和分布的方法,指出获得良好拉伸塑性和断裂韧性仍是不同体系非晶合金的研究目标和重要发展方向,推动着块体非晶合金作为新型功能结构材料的应用和产业化。     

内生非晶复合材料组织与力学性能调控研究进展

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征, 使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能, 在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时, 原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高度局域化剪切带, 局域化剪切带由于缺乏介质的阻碍会发生失稳扩展, 导致非晶合金极易发生室温脆断, 特别单轴拉伸时基本无塑性。为克服这个缺憾, 研究者们提出将微米级尺寸的晶体相引入非晶来抑制剪切带的失稳扩展, 使得内生第二相增韧非晶复合材料具有了明显的拉伸塑性能力, 因此倍受材料学界的关注。近年来, 研究者们陆续通过成分设计、制备技术、热处理工艺等方法来实现非晶复合材料的塑性变形能力的提升, 使得非晶复合材料有望走向实际的工程应用。本文围绕内生第二相增韧非晶复合材料的微观组织调控这一关键科学问题, 从影响非晶复合材料微观组织结构的因素(合金成分设计、制备工艺参数、微观结构构筑等)到微观组织对其室温力学性能的影响机制两方面的研究成果进行了系统总结, 重点阐述了近10年来内生第二相增韧非晶复合材料领域组织调控及其室温力学性能关联性方面的研究进展, 并且对内生非晶复合材料研究领域目前的存在的问题和挑战进行了展望, 以期为高强高韧内生第二相增韧非晶复合材料的设计与制备提供理论参考。     

钛合金动态塑性变形过程中绝热剪切带的形成机理

材料在应变速率高于102 s-1时的塑性变形被称为动态塑性变形.区别于准静态塑性变形,动态塑性变形涉及的复杂的高度局域化变形机制对材料的性能与寿命具有显著影响.绝热剪切带作为材料动态塑性变形过程中产生的特殊的变形结构,它对材料性能的影响引起了人们的高度关注.钛合金具有优良的力学性能,被用作结构材料,广泛应用于诸多行业,由于应用面广,钛合金会经常面临动态载荷产生绝热剪切带而失效,从而缩短使用寿命.因此,研究钛合金中绝热剪切带的形成机制对延长钛合金的使用寿命,改善钛合金的力学性能具有重要意义.然而,由于动态塑性变形的瞬时性、内部应力的复杂性等,还原绝热剪切带的形成过程具有相当大的难度.同时,钛合金结构的复杂性、变形过程中相的不稳定性等因素均提高了观察其内部绝热剪切带的难度.通过大量的实验观察与模拟计算,目前较为普遍的观点为钛合金中绝热剪切带的形成机制为动态再结晶.而动态再结晶的过程目前有四种主流的观点,分别是传统动态再结晶、连续动态再结晶、孪生动态再结晶与相变诱发动态再结晶.针对不同的动态再结晶方式,研究者们建立了基本的变形模型与理论依据,并找到了一定的实验证据.本文通过总结近年来学者们对钛及钛合金动态塑性变形行为研究的典型成果,重点介绍了绝热剪切带的形貌与性能及其形成的不同机制.同时对钛合金中绝热剪切带的几种不同的形成机制及其研究中存在的问题进行了分析讨论,旨在为未来的研究探索提供有用的参考.     

块体非晶合金剪切带温度的变化分析

通过对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(Vit 1)压缩实验,发现应力-应变关系曲线的锯齿流变特性随应变的增加而更为明显。并通过对简单剪切断裂面的分析,表明在剪切滑移过程中剪切带有一个形核和生长的过程。采用剪切带逐步扩展模型计算剪切带中温度的变化,通过计算表明剪切带形成中前期的温升不足以达到非晶合金的熔点,且剪切带温升与单个锯齿卸载部分形成过程所持续的时间和每次剪切滑移过程中载荷的变化量紧密相关。     

凝固条件对非晶合金的微观结构和性能的影响

采用不同凝固控制的方法,研究了凝固条件对非晶合金的微观结构、热稳定性以及力学性能的影响。研究表明,高温下铜模喷铸样品为完全非晶结构,而低温喷铸和电弧原位吸铸所制备的样品中存在着一些纳米量级的析出相。高温喷铸样品表现出非晶合金典型的脆断行为,但低温喷铸和原位电弧吸铸样品则表现出较高的强度和良好的塑性变形能力。高温甩带样品初始晶化温度高于相应的低温甩带样品,其长期热稳定性优于低温甩带样品,表明浇铸温度的升高增强了非晶合金的热稳定性。     

Zr-Al-Cu-Ni-Ag非晶复合材料的显微硬度和剪切带形貌

使用差氏扫描量热仪、维氏显微硬度计和扫描电子显微镜研究了过冷液相区内不同温度等温退火处理对Zr-Al-CuNi-Ag块体非晶合金的显微硬度和剪切带形核、扩展的影响。结果表明,等温退火处理后非晶合金的初晶相为二十面体准晶相(I-相),其体积分数随着退火温度的升高呈现上升的趋势;复合材料的显微硬度随着晶化体积分数的升高呈现增大的趋势;界面压痕下方剪切带密度随着晶化体积分数的升高则呈现下降的趋势。这是等温退火导致非晶合金发生结构弛豫和第二相析出综合作用的结果。     

低温热循环加速非晶合金剪切带在室温的结构弛豫（英文）

低温热循环是实现非晶合金结构回春的一种简单有效方法,但某些非晶合金在低温热循环处理后发生弛豫而不是回春.本研究通过在非晶合金中引入剪切带,在同一块样品上获得了不同区域初始能量不同的非晶合金,系统地研究了不同初始状态对低温热循环处理效果的影响.研究结果发现,在经过低温热循环处理后,同一试样中的剪切带发生结构弛豫,而基体发生结构回春.类似的双向变化趋势还可以从显微硬度、纳米压痕曲线以及压痕形状的变化上得到验证.经历了100次低温热循环处理后,剪切带和基体的焓和硬度均收敛到一个平衡值.低温热循环能够加速剪切带的结构弛豫,实现了在低温热循环的上限温度上做长时间退火所达不到的状态.文中还采用自由体积模型对实验结果进行分析,阐明了非晶合金的初始状态影响其结构演化方向的机理.本研究为低温热循环处理非晶合金提供了新见解,阐明非晶合金初始状态在其焓变方向上的关键作用.     

Zr基块体非晶合金的成分设计及其性能研究

根据二元共晶混合法设计Zr-Cu-Ni-Al非晶合金成分,利用铜模吸铸法制备Zr-Cu-Ni-Al合金棒材.采用XRD、DSC、SEM及准静态压缩实验研究了所设计合金的非晶形成能力和力学性能.结果表明:所设计的Zr-Cu-Ni-Al合金均为非晶态结构,其过冷液相区(ΔTx)均超过65 K,有较好的非晶形成能力,其中Zr55.7 Cu22.4 Ni7.2 Al14.7合金的ΔTx最宽,达到82 K;合金的塑性变形能力由低到高依次为:Zr57 Cu18.67 Ni8 Al16.33、Zr56.36 Cu20.53-Ni7.6 Al15.51、Zr54.4 Cu26.13 Ni6.4 Al13.07和Zr55.7 Cu22.4 Ni7.2 Al14.7,其中Zr55.7 Cu22.4 Ni7.2 Al14.7的塑性达到5.5％,抗压强度达到1885 MPa,其他三种合金的塑性均不足2％.剪切带的增殖和交互作用与非晶合金的塑性和强度密切相关.合金试样断口中均有熔滴存在,这表明在合金变形过程中,断裂处的合金组织发生了粘性流动,并伴有脉纹产生.合金在塑性变形中均发生了锯齿流变,锯齿流变与自由体积的变化密切相关.     

较大塑性变形下纳晶镍剪切带的演化模型

较大塑性变形下,采用TEM原位拉伸实验揭示了纳晶镍内剪切带演化的微观机制,优化了微观力学模型。结果表明:在纳米尺度范围内,随着晶粒尺寸的增加,应变软化的趋势越来越明显,剪切带宽度也随着增加;晶粒尺寸降低将导致纳晶材料中剪切带的产生提前;内部特征长度的值随着晶粒尺寸的增加呈现先增加后下降的特点;剪切带内的塑性应变分布为:在剪切带两个边界处应变为零,在剪切带中央剪切塑性应变达到最大值。     

较大塑性变形下纳晶镍剪切带的演化模型EI北大核心CSCD

较大塑性变形下,采用TEM原位拉伸实验揭示了纳晶镍内剪切带演化的微观机制,优化了微观力学模型。结果表明:在纳米尺度范围内,随着晶粒尺寸的增加,应变软化的趋势越来越明显,剪切带宽度也随着增加;晶粒尺寸降低将导致纳晶材料中剪切带的产生提前;内部特征长度的值随着晶粒尺寸的增加呈现先增加后下降的特点;剪切带内的塑性应变分布为:在剪切带两个边界处应变为零,在剪切带中央剪切塑性应变达到最大值。     

ZT3非晶合金在过冷液相区的塑性变形研究

目的 研究不同的应变速率和变形温度对Zr30.2Ti32.9Cu9Ni5.3Be22.6非晶合金(亦称ZT3)在过冷液相区塑性变形行为的影响。方法 首先,用真空非自耗电弧炉熔炼合金锭并吸铸成直径为8 mm、长度为60~80 mm的非晶合金圆棒;然后,通过等温晶化试验确定ZT3非晶合金在过冷液相区中对应不同温度时发生晶化转变所需的最短时间,并用热模拟试验机进行压缩变形的试验研究;最后,用X射线衍射仪测试ZT3非晶合金在过冷液相区塑性变形后的组织特性。结果 ZT3非晶合金在过冷液相区内的塑形变形行为与应变速率和变形温度有密切的关联性。不同的应变速率与变形温度都会对其塑性变形产生影响,但变形温度的影响比恒定应变速率更大。对ZT3非晶合金变形后的结构分析发现,应变速率对非晶态结构的影响大于温度。结论 ZT3非晶合金的等温晶化转变孕育时间最短为17 min,在小于17 min的时间内完成塑性变形即可抑制晶化转变的发生。当恒定应变速率为2×10^?3 s^?1时,将变形温度控制在355~375 ℃范围内有利于ZT3非晶合金在过冷液相区进行热压塑性成形。     

块体金属玻璃剪切带相关压缩塑性形成机制研究

研究了Vit1块体金属玻璃在不同压缩载荷下的塑性变形行为和对应的剪切带斑图演化规律。基于机械约束模型,采用高分辨透射电子显微镜对约束载荷下金属玻璃剪切带斑图的形成及演化规律和压缩塑性形成机制进行了分析。结果表明,压缩载荷下机械约束是多重剪切带形成的诱因,纳米晶粒的形成进一步增强了多重剪切带的形成,进而增强金属玻璃的压缩塑性变形能力,对理解块体金属玻璃在约束载荷下剪切带斑图的演化规律、塑性变形行为和进行压力加工提供了有价值的参考。     

强迫剪切条件下Ti-6Al-4V合金的绝热剪切失效

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)加载装置,分别用200 mm和150 mm打击杆以28 m/s速度对Ti-6Al-4V合金帽形试样进行强迫剪切实验,利用OM、SEM、TEM等手段分析了强迫剪切条件下Ti-6Al-4V合金的绝热剪切带演化特征和高应变率剪切变形条件下的失效模式。结果表明,在本文所述实验条件下,Ti-6Al-4V合金的绝热剪切带(ASB)表现为"白亮带";ASB的宽度随加载时间的延长而增加;ASB边缘的裂纹是由于ASB的变形与基体的不协调而产生的,ASB中心部位的裂纹是由于非晶形成而后破碎导致的。     

W丝增强块状非晶基复合材料单轴压缩形变的研究

利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜，研究了室温单轴压缩下W丝增强块状非晶基复合材料的形变特征，结果表明：非晶基体内产生了大量的剪切带，剪切带分布特征与W丝密切相关；非晶基体的微观结构发生了改变，局域内自由体积显著增加。     

纤维体积分数对W纤维/Zr基非晶合金复合材料压缩性能的影响

采用渗流铸造法制备了含不同体积分数W纤维的W_f/Zr基非晶合金复合材料,其中W_f体积分数分别为47%、66%、77%和86%。研究了W_f体积分数对Zr基非晶复合材料室温准静态压缩力学性能以及变形行为的影响。结果表明:随W_f体积分数的增加,W_f/Zr基非晶复合材料的屈服强度单调增大,塑性应变先增大后减小,W_f体积分数为66%时塑性应变最大,W_f/Zr基非晶复合材料塑性应变的变化主要取决于非晶基体和W_f相互作用的程度。随着应变量的增大,基体中剪切带的数量和密度也随之增大,主剪切带向大于45°方向偏转。由于压头的影响,W_f/Zr基非晶复合材料压缩过程中样品端部和中部的受力状态不同,导致两部分的剪切带方向也明显不同。随W_f体积分数的增大,W_f/Zr基非晶复合材料的断裂方式由剪切断裂向纵向劈裂转变,断裂行为符合摩尔库伦准则。     

Nb添加对Ti基非晶合金腐蚀及力学性能的影响

为研究微量添加Nb元素对Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x为原子数分数,x=0、1%、3%、5%)非晶合金的耐腐蚀性能及力学性能的影响,本文利用动态极化曲线,分析了在0.144 mol/L的NaCl溶液及0.2 mol/L的PBS溶液中非晶合金Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x=0、1%、3%、5%)的电化学性能,并通过材料拉伸试验研究了非晶合金块状样品的室温压缩性能.结果表明:在0.144 mol/L的NaCl溶液中,非晶合金样品在阳极区出现了自发钝化的特征,钝化电流密度在10~(-7)～10~(-8) A/cm~2,钝化电流密度随着Nb的添加略有降低,且点蚀电位随Nb原子数分数的增加分别为200、340、400和490 mV,说明微量添加Nb元素能有效提高Ti基非晶合金的耐点蚀能力,即在0.144 mol/L的NaCl溶液中Ti基非晶合金的耐腐蚀性随着Nb含量的增加而增强;在0.2 mol/L的PBS溶液中,因磷酸根离子的缓蚀作用,Nb添加导致的成分变化对非晶合金的腐蚀行为影响不大;此外,添加了原子数分数为1%及3%Nb的非晶合金,其压缩强度及塑性变形能力变化不大,但添加5%Nb的非晶合金因较大体积分数纳米晶的存在导致其室温断裂强度及塑性变形能力有明显下降.     

Al-Zn-Mg-Cu-Sc合金中剪切带形成与演化机理研究

Al-Zn-Mg-Cu合金是超高强难变形合金,加工过程中易产生大的剪切带和裂纹等缺陷.制备了一种含钪Al-Zn-Mg-Cu合金,研究了该合金在热轧和热处理过程中宏观剪切带和轧制裂纹的形成与扩展规律.采用光学显微镜、扫描电镜、透视电镜和能谱分析对该合金热轧时产生变形局部化的力学条件和微观结构进行了深入分析.结果表明:在非均匀变形条件下,变形局部化导致局部变形区应变大和应变率高是产生剪切带和轧制裂纹的原因,与合金基体中组织和成分的不均匀性有关.在高温固溶条件下剪切带内发生了再结晶.     

高速切削淬硬钢切屑变质层微结构及形成机理

为了揭示高速切削过程中切屑形成以及刀具-切屑界面摩擦机理,对剪切区内剪切带及白层进行了微观观察和分析.利用光学显微镜,SEM,电子探针,TEM和X射线衍射等方法对高速切削淬硬钢锯齿状切屑剪切变形区内变质层的微细组织进行了观察,对变质层的微结构本质及其形成机理进行了分析.研究表明:在锯齿状切屑锯齿之间的第一变形区存在绝热剪切带,由切屑基体到剪切带中心依次出现马氏体板条、沿剪切方向拉长并被位错分割的板条和等轴晶粒等不同的微结构特征;在切屑底部的第二变形区存在白层,其微结构显示了非晶组织特征.剪切带形成过程中没有相变发生,其形成是基于一种旋转式动态再结晶机制,白层的形成过程中发生了非晶转变和马氏体相变,形成机理属于相变机制.