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。     

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。     

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。     

Fe微合金化对Cu-Zr-Al非晶合金塑性变形行为的影响及其机理

用铜模喷铸法制备Cu_(47.8－x)Zr_46.2Al₆Fe_x(x=0, 0.8, 1.2, 1.6)系列合金,研究了Fe微合金化对其非晶形成能力和力学性能的影响。结果表明：随着微量元素Fe含量的提高合金的玻璃形成能力降低,而其室温塑性变形能力明显提高;随着Fe含量的提高基体中产生了更多的自由体积,且Fe与Cu的正混合焓使基体中成分/自由体积分布的不均匀性提高。这些因素,使高Fe含量的非晶合金具有更高的塑性变形能力。     

Ni和Y影响Al-Ni-Y金属玻璃形成能力的本征机理

为了揭示Ni和Y元素对Al-Ni-Y三元金属玻璃的玻璃形成能力影响的本征机理,且基于费米面和伪布里渊区理论,提出了Ni和Y元素对Al-Ni-Y三元金属玻璃的玻璃形成能力的影响分为两种情况:Ni原子通过Al和Ni原子之间的电子轨道杂化效应,改变费米面直径(2KF),从而影响Al基金属玻璃的玻璃形成能力;Y原子通过整体原子的静态结构,改变伪布里渊区(KP),最终影响Al基金属玻璃的玻璃形成能力.费米面和伪布里渊区尺寸通过电子能量损失谱(EELS)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)获得.研究表明,当两者相互作用机制满足2KF=KP,条件时,费米能级处电子态密度最低,金属玻璃整体结构的稳定性达到最佳.在此基础上,提出了δ=KP-2KF判据用于衡量Al-Ni-Y三元金属玻璃的玻璃形成能力,该判据在实验上得到验证.     

基于分子动力学模拟的铜锆晶体/非晶双相纳米复合材料力学行为

金属玻璃因其较差的室温塑性限制了其广泛应用,因此提升金属玻璃的力学性能、探明金属玻璃的变形机制已经成为当前材料领域的研究热点。采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸和分布对晶体/非晶B2-CuZr/CuZr双相复合材料力学行为的影响。研究结果表明,随着纳米晶粒的尺寸增大,复合材料变形模式发生了从相对均匀变形到单一剪切带的局部变形的转变。研究指出,增大纳米晶粒尺寸/体积分数能有效提高复合材料的峰值应力,但除了较小尺寸纳米晶粒模型外,双相复合材料的塑性没有明显增强。此外,相对于交叉排列,纳米晶粒的对齐排列导致了更严重的塑性应变局部化。本文的研究结果对于设计和制备高性能的金属玻璃材料具有重要的参考价值和指导意义。      

Sb对GeSbxSe7-x硫系玻璃的结构和物性的影响

采用熔融-淬冷法制备了GeSb_xSe_7-x (x = 0.4、0.8、1.2、1.6、2.0)系列硫系玻璃, 并系统地研究了Sb对玻璃结构和物理性能的影响。拉曼光谱测试结果显示, 随着Sb含量增加, 玻璃结构逐渐从由Se链或Se环主导转变为由交联的SbSe_3/2三角锥结构单元和GeSe_4/2四面体结构单元主导, 玻璃网络交联程度增加。同时, 玻璃的转变温度、密度、弹性模量和折射率都随着Sb含量的增加而增大。透过光谱研究表明, 随着Sb逐渐替换Se原子, 光学带隙逐步减小。     

非晶合金塑性理论研究进展

非晶合金是一类兼具玻璃和金属双重特性的新型材料,具有一系列优异的力学、物理和化学性能,已经在国防、空天等领域显示出广阔的应用前景。非晶合金内部原子排列长程无序、短程有序,没有位错、晶界等传统意义上的晶体缺陷。因此,基于位错、孪生等微观机制的经典塑性理论在描述这类材料的塑性行为时遇到了极大的挑战。目前普遍认为,非晶合金宏观塑性流动是微观动态"流动事件"时空演化的结果。但是,对于"流动事件"的认知还很不清楚。主要介绍了目前几种代表性的非晶塑性流动理论:自由体积理论、剪切转变理论、剪切转变区理论以及协同剪切模型,并对非晶塑性流动的结构起源以及局部化剪切带机理进行了评述,最后简要展望了非晶塑性机理发展的几个问题。     

分子动力学模拟金属玻璃Cu应力晶化的应变率效应

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了零温下非晶金属Cu在不同应变率条件下的拉伸变形过程和应力晶化行为，分析了此过程中原子体系应力与结构组态的变化．结果表明：在应变率10^8s^-1-10^9s^-1范围内，金属玻璃Cu的塑性流动应力随着应变率的提高而增大，弹性模量约为55GPa．在塑性流动过程中发生应力晶化现象，伴随着明显的晶核形成与生长过程，晶化程度随着应变率的增加而加剧．应力效应和温度效应都是导致金属玻璃晶化的重要途径，形成的少量纳米晶粒是导致剪切带的形成和扩展的可能因素．     

金属玻璃基复合材料的微结构效应

基于自由体积理论和Ramberg-Osgood模型,并利用ABAQUS软件,建立颗粒随机分布代表性体积单元模型,模拟了Ti_(64.5)Zr_(14.5)V_(18.5)Cu_(2.5)颗粒增韧Ti基金属玻璃基复合材料在单轴拉伸状态下的微结构效应,讨论了颗粒的体积分数、团聚数目、长径比、定位取向和界面对金属玻璃韧性的影响。结果表明:提高颗粒体积分数能显著提高复合材料的塑性,但部分牺牲了复合材料的强度;增大颗粒长径比能够增强复合材料的塑性和屈服强度;使颗粒的取向与荷载方向成90°或0°,不仅增强了复合材料的塑性,而且与其他排布相比也增强了复合材料的强度;减少团聚数目至2个以下,能明显减少金属玻璃基复合材料的塑性和强度的损失,使团聚中颗粒与荷载成90°,却能改善复合材料的塑性和强度;在颗粒增韧金属玻璃基复合材料中加入零厚度界面,能观察到在主剪切带上颗粒和基体在界面处脱粘,得到与实验现象更加吻合的结果。通过上述的研究能够很好地理解复合材料的微结构效应,并有利于材料的设计。     

化学键参数和原子半径差与BMG合金的GFA关系

综合大块金属玻璃(BMG)的研究成果,用加权平均原则计算大块金属玻璃的原子半径差比率Δd、原子电负性差比率Δe以及离子率v三个物理参数,以大块金属玻璃的玻璃形成的临界冷却速度Rc作为合金非晶形成能力(GFA)的参数,用Origin 软件分别对上述三个物理参量与Rc的关系进行统计处理时发现: Δd,Δe,及v与BMG的GFA的关系出现极小值现象,不同合金体系极小值的位置不同;玻璃形成能力强的合金体系,其各个组元的原子百分含量、组元原子之间的半径差以及电负性差三者之间的搭配是和谐的.金属玻璃合金的最优成分范围以及各种添加元素的最佳添加量现象可能与这三个物理参量与Rc之间的极小值现象有关.     

烧结法制备煤矸石微晶玻璃及其烧结性能研究

以淮南矿区煤矸石为主要原料,采用烧结法制备了微晶玻璃,并研究了Na_2O含量对基础玻璃熔制温度、微晶玻璃晶化温度、物相组成和微观结构的影响及其对微晶玻璃体积密度、耐酸碱等物化性能的影响。结果表明,以淮南矿区煤矸石为主要原料可以制备出性能优良的微晶玻璃;并且随Na_2O含量从10%增至25%,玻璃熔制和晶化温度分别从1450℃降低到1300℃,950℃降低到700℃;微晶玻璃的主晶相由含铁镁橄榄石相转变为霞石相,最终转变为硅铝酸钠相,且微晶玻璃的结构均匀性不断提高;微晶玻璃的致密性先增加后降低,耐酸碱性良好,但Na_2O含量过多对微晶玻璃耐酸性不利。     

金属玻璃纳米晶化机制研究进展

金属玻璃是一类具有结构和功能应用前景的新型金属材料,是目前物理和材料学科最为活跃的研究领域之一。由于处于热力学亚稳态,金属玻璃在合适的外界条件下会自发地向相应的晶态相发生转变,导致晶化事件的发生。研究金属玻璃的纳米晶化不仅有重要的科学意义,同时也可对金属玻璃的应用提供理论指导。简要介绍了目前几种代表性的金属玻璃纳米晶化微观机制:经典形核理论、基于耦合通量模型的形核机制、基于相分离的纳米晶形核长大机制、有序原子集团沉积机制、非经典形核理论、大过冷度条件下纳米晶化的微观机制等,同时结合作者课题组近年来在这方面的研究进展,对各种机制进行了评述,最后对未来金属玻璃纳米晶化机制研究中需要重视的几个问题进行了简单展望。     

梯度微结构对金属玻璃拉伸增韧的影响

本文通过数值模拟分析了梯度微结构对Ti₄₆Zr₂₀V₁₂Cu₅Be₁₇金属玻璃（Metallic Glass,MG）拉伸性能的影响。将自由体积理论以UMAT子程序形式导入ABAQUS中,模拟分析MG基体中剪切带的演化。在此模型中,颗粒和初始自由体积被以各种梯度方程的形式分布于MG基体中,对材料模型施加单轴拉伸荷载。结果表明：含有颗粒按凹槽状梯度分布的MG基复合材料拉伸塑性最好,并且变形呈现颈缩现象;对于初始自由体积呈凸形分布的MG塑性被很好改善;当改变自由体积梯度分布程度时,梯度越小,塑性提高越明显;而就颗粒来说,两侧密集区层数越多,变形中越不容易出现穿透试样的主剪切带。     

添加Co对Mg65Cu25Y10合金玻璃形成能力的影响

采用熔体铜模浇铸制备出具有不同厚度的Mg65Cu25-xCoxY10(x=2.5,5,7.5)合金薄板试样，利用X射线衍射确定铸态样品的非晶态性质，示差扫描量热计（DSC）分析合金的玻璃转变，晶化和熔化行为，在Mg65Cu25-xCoxY10合金中x小于5时，Co的添加对玻璃形成能力没有明显的影响，玻璃形成的临界厚度大约为2mm；但当x增加至7.5时，合金的玻璃形成能力明显下降，与无Co的合金相比较，含Co金属玻璃的玻璃转变温度Tg降低，过冷液态温度区间△Tx减小，但约化玻璃转变温度Trg没有明显的变化。     

热处理制度对CaO-A1_2O_3-SiO_2系微晶玻璃性能的影响

采用正交实验法探讨了CaO-A1_2O_3-SiO_2系微晶玻璃的热处理工艺,通过分析各热处理工艺参数对微晶玻璃烧结体积密度、抗折强度、耐酸性和耐碱性的影响,找出了其最佳热处理工艺参数,并采用XRD和SEM分析了热处理后微晶玻璃的物相和形貌.结果表明,随核化时间的延长,微晶玻璃试样的抗折强度、体积密度和晶相含量逐渐增大;随核化温度的升高,微晶玻璃的耐腐蚀性逐渐增强.影响抗折强度、体积密度的主要因素是核化时间,影响耐酸、耐碱性的主要因素是核化温度.     

小玻璃量器检定测量不确定度的评定

本文对小玻璃量器检定的测量不确定度进行了评估。系统分析了温度、水的密度、质量等因素对检定过程的影响。评定了这些因素产生的不确定度分量的大小，并正确评定了合成测量不确定度和扩展不确定度，结果客观、准确，适合实际操作。     

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。     

PP/HGMS复合材料真空热压成型及性能研究

以聚丙烯(PP)为基体,以高性能空心玻璃微珠(HGMS)为填充体,通过真空热压成型法制备聚丙烯/空心玻璃微珠复合材料。研究了HGMS填充体积分数对复合材料的密度、拉伸强度、压缩强度、剪切强度和吸水率的影响,分析了复合材料断口的微观形貌。结果表明,采用真空热压成型法能够制备性能优良的PP/HGMS复合材料。当HGMS体积分数达到50%时,复合材料的密度降低到0.645 g/cm~3,并且具有35.64 MPa的压缩强度和1.41%的吸水率。     

GeO_2-PbO系统玻璃性质和结构的研究

研究了GeO_2—PbO二元系统玻璃的生成,测定了玻璃的折射率、色散、密度、热膨胀系数、转变温度、软化温度,计算了克分子体积、克分子折射度。研究结果指出,直到PbO含量为70％可生成玻璃。玻璃折射率,密度和PbO含量近似线性关系,未见到极值点。而克分子体积和膨胀系数在PbO含量为30分子％时呈现最低点,这是因为Ge离子从4配位变为6配位的结构转变的结果。