纳米压入下镁基非晶合金的间歇性塑性流动

镁基非晶合金通常表现出显著的宏观脆性,因此用常规拉伸、压缩等方法对该合金的变形行为进行研究具有很大困难。本研究利用具有高时间分辨率和高空间分辨率的纳米压痕技术观察了不同加载速率下镁基非晶合金的锯齿流变行为。结果表明,低加载速率促进锯齿的形成,而高加载速率则抑制锯齿的形成。其原因是在低加载速率下,单一剪切带足以耗散外加应变;而在高加载速率条件下,由于单一剪切带不能将应变耗散掉,因此需要更多的剪切带参与变形。为了进一步解释这一锯齿流变行为,本研究采用遍历处理对每个锯齿的应变突变进行了统计分析。结果表明,在不同的加载速率下,小的应变突变服从幂律分布,且幂指数为1.45;而大的应变突变则呈现指数衰减规律。最后,借助硬度对应变速率的敏感性,估算了镁基非晶合金在纳米压入条件下剪切转变区的体积,为4.5 nm3。     

Ce70Ga8.5Cu18.5Ni3块体非晶合金的室温压缩塑性的显著尺寸效应

以新开发的Ce70Ga8.5Cu18.5Ni3块体非晶合金为研究对象,系统研究了试样尺寸对其室温下压缩力学性能的影响。不同直径的非晶合金采用铜模吸铸法获得,采用万能试验机测量不同尺寸样品的室温压缩力学性能,并用扫描电子显微镜观察断裂后样品的端口形貌,此外,还通过差示扫描量热法分析不同样品的热力学性质。结果显示,直径1.5mm非晶柱状样品具有1%的压缩塑性,并伴随有典型的锯齿流变现象。随着非晶柱状样品尺寸的增加,其塑性逐渐消失。断裂后的样品的端口形貌呈现出典型韧窝状形貌,并且韧窝的密度随着样品尺寸的增加而降低。热分析结果表明,不同尺寸的铸态样品的玻璃转变之前都有一个明显的焓回复过程,而且其焓回复放热量和样品尺寸有近似的反比关系。尺寸较小的非晶合金在制备过程中拥有更快的冷却速率,能够保留更多的自由体积,为剪切带形核提供更多的形核点,表现出较好的宏观塑性变形能力。     

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.     

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。     

大块非晶合金过冷液相区的超塑性流变行为

大块非晶合金在过冷液相区内较低应变速率变形条件下呈现出牛顿型流变状态,并获得最佳塑性.其流变机制为一种与聚合物体系及无机玻璃相似的动力学行为.由于在超塑性流变过程中非晶相伴随有晶化现象的发生,因此,大块非晶合金的粘滞流变是一种非晶相-晶化相复相结构的变形行为.     

块体非晶合金压缩变形研究进展

在约化压缩变形温度t r=T/T g为77 K/T g≤t rt rc1、t rc1≤t rt rc2和t rc2≤t rT x/T g时,一般块体非晶合金的压缩变形行为分别对应不均匀脆性断裂、非牛顿流变和牛顿流变;当应变速率约为10-4s-1时,临界约化压缩变形温度t rc1在0.839~0.920之间,t rc2=1.011;随着应变速率的降低,块体非晶合金由不均匀的脆性断裂转变为非牛顿流变的t rc1、由非牛顿流变转变为牛顿流变的t rc2均降低。低t r压缩变形试样表面的剪切带特征明显,但高t r压缩变形由于均匀变形和热影响作用使剪切带不明显,且块体非晶合金的塑性随剪切带数量的增加而提高;随着t r的升高,块体非晶合金的断口显微组织演化过程分别为复杂不均匀的脉状纹络、较均匀的脉状纹络、熔滴状和岩浆流状组织。另外在极低约化压缩温度t r下Ni60Pd20P17B3和Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金表现出非牛顿流变行为。非晶在一定温度的压缩变形会导致部分或所有非晶纳米晶化。     

非晶合金中剪切温升的研究进展

区别于传统的晶态金属材料,非晶合金(BMGs)不具备长程有序结构,其塑性变形载体为剪切带。剪切带一旦形成,便很快发展成为裂纹,引发材料的灾难性断裂。剪切不稳定性的研究有助于非晶合金塑性变形机理的理解,并可为非晶合金塑性变形能力的提高提供设计思路。近年来,基于非晶合金的结构特点,科研工作者努力探究非晶合金的剪切不稳定性,主要提出了结构软化诱导的剪切不稳定性和热软化引发的剪切不稳定性两种机制。本文重点总结了非晶合金中剪切温升的研究进展,介绍了测试应变速率、外部约束、试验机刚度和测试温度对剪切温升的影响,指明非晶合金中剪切引入的热远低于玻璃转变温度,暗示热软化对剪切不稳定性的影响是微弱的。本文最后对非晶合金中剪切不稳定性机制的研究方向进行了展望。     

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。     

动态应变时效对5083铝合金强度的影响

研究了不同应变速率对5083铝合金组织性能的影响。结果表明,随着应变速率的提高,合金强度呈下降趋势,在一定量的塑性变形之后,应力应变曲线出现锯齿状屈服行为。在快应变速率区间,应力锯齿方向朝上;在慢应变速率区间,应力锯齿方向朝下。分析认为,应变速率的降低带来的应力升高主要是由于位错与溶质原子的交互作用导致的,向上的应力锯齿对应于位错钉扎的过程,向下的应力锯齿对应于位错脱钉的过程。     

ZrCuNiAlEr块体金属玻璃尺度效应的研究

通过磁悬浮熔炼-铜模吸铸法制备了直径为2,4,6 mm的(Zr_(63.36/100)Cu_(14.25/100)Ni_(10.12/100)Al_(12/100))_(100-x)Er_x(x=0.5,1,1.5,2,2.5,3)块体金属玻璃棒状试样,研究了尺寸大小对合金力学性能的影响。结果表明,当x=2,2.5时,直径为2 mm的合金试样出现了大的压缩塑性变形,塑性变形量分别达到24.59%和24.93%。而?4和6mm合金试样的压缩塑性变形基本上无变化,这就说明该非晶合金的塑性随着尺寸的增大而下降,即非晶合金压缩塑性存在尺寸效应。弹性模量、屈服强度和断裂强度也随着合金尺寸的增加而下降,即随着非晶合金尺寸的增加其力学性能逐渐降低。     

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。     

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。     

基于局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法的剪切带应变测量

采用局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法测量了虚拟剪切带的应变,并将测量结果与中心差分方法的结果和理论解进行了对比,主要研究了计算窗口尺寸和子区尺寸的影响。研究发现:当子区尺寸较小且应变计算窗口尺寸较大时,局部位移场最小二乘拟合数字图像相关方法的测量结果接近于理论解;对于测量单轴压缩条件下低液限黏土试样破坏过程中的应变场,局部位移场最小二乘拟合方法的测量结果比中心差分方法测量结果更准确,有助于对剪切带应变的准确测量。     

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。     

应变速率对(Zr72Cu16.5Ni11.5)90Al10大块非晶合金超塑性变形行为的影响

通过合理配置成分及优化工艺参数,用铜模吸铸法成功制备出具有室温超塑性变形能力的(Zr72Cu16.5Ni11.5)(90)Al(10)大块非晶合金,并对其塑变效应进行研究,结果表明,在4.2×10-4-6.0×10-5s(-1)应变速率范围内合金试样均呈现出室温超塑性,即经历85.5%工程应变或193.1%真应变仍无脆...     

Zn-5Al超塑合金的恒载荷拉伸实验研究

研究表明，Zn-5Al超塑性合金的应变速率敏感指数m和超塑性变形激活能Q值和超塑性流动粘滞系数η可采用恒载荷蠕变法进行测定，在恒载荷变形条件下，应变速率敏感指数m随应变速率的增加而增大，超塑性流动的粘滞系数η随应变速率的增加而减小，超塑拉伸前对轧态试样进行保温处理时，由于通过回复和再结晶释放了合金中的储能，降低了超塑变形的动力，导致变形抗力增加而延伸率下降。     

Ti66.7Ni20Cu13.3非晶复合材料的组织和力学性能研究

选择具有非晶形成能力和形状记忆效应的Ti66.7Ni20Cu13.3合金作为研究对象,制备了不同直径的棒状试样,考察了冷却速率对合金组织结构和力学性能的影响。结果表明,块体金属玻璃基体中原位析出塑性相-形状记忆合金过冷奥氏体相B2-TiNi,应力加载时能够发生马氏体相变对玻璃基体增强增韧。而在一定冷却速率下,塑性相和脆性金属间化合物相在非晶基体中同时析出,试样最终断裂方式取决于马氏体相和脆性相力学行为的竞争。     

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。     

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。