塊體金屬玻璃的力學行為

1、塊體金屬玻璃(BMG)的力學行為不同于傳統(tǒng)的金屬材料，塊體金屬S(BMG)是一種具有長程無序而短程有序結(jié)構(gòu)的金皿材料，不存在品界與堆垛層錯尊晶體缺陷口這種獨特的原子結(jié)構(gòu)使其具有比常規(guī)晶態(tài)合金更優(yōu)異的力學、物理、及化學性褪附.在力學性能方面，BMG材料具有高強度、高酸度，低彈性楔量尸其強度為相應晶態(tài)合金的27倍如新近開發(fā)的CoTaB金屬玻璃苴壓縮屈服強度高達6GPat該合金是目前已知的強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)以及高的碓導率?；瘜W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材料在未來的電子信息、航天航空、體育器材、精密機械和軍事領域梵有廣闊的應用前景【嘰然而BMG材料具有明顯的室溫脆性.并且對原材料純度和制備垂件有著嚴格的要求.從而嚴重制約了的廣泛應用.因此.本章首先從塊怵金屬BMG的力學性能及變形機理出發(fā).綜述內(nèi)生BMG笑合材料的設計與開發(fā)，以及內(nèi)生晶體相/BMG復合材料微觀組織控制技術(shù)研究進屣：接下來介紹梢選擇原理在BMG及其更合材料中的應用；最后探討了氧元秦對BMG及其復合材料形成能力、力學性能的形響.自從上世紀70年代#Chen等人柯成功制備出毫米級的Pd-Cu-Si三元塊體非晶合金B(yǎng)MG的力學性能就成為研究的熱點研究人員對

3、艮拉伸、壓縮、疲勞、撕裂等性能都進行了大僦的研兗，其力學性能總結(jié)如下：(1) BMG合金具有高的室溫斷裂強度可和維氏磽度耳圖1J為BMG及傳竦合金的拉伸斷裂強度(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、為其相應傳統(tǒng)合金的2-3ft,如Mg基金屬玻璃室溫斷裂強度達到了100QMP%而一絵Mg合金的斷裂強度只有300MPa>Fe-B基BMG斷裂強度超過了4000MPa>遠髙于同類鋼鐵材料*(2) BMG合金具有高彈性應變和彈性極限BMG臺金的彈性應變極限達到了2%,接近理想彈性極限口此外.BMG合金的奇強度和彈性應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，如圖12所示問由于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)材料腸服強度斷裂初性關(guān)系圖(4) 在過冷液相區(qū)，BMG合金良好的超塑性BMG合金在室溫下呈脆性斷裂，無塑性應變，然而當實驗溫度超過玻璃轉(zhuǎn)變溫度T.進入過冷液相區(qū)時，BMG合金卻可以產(chǎn)生均勻的塑性流變，NgTigCugNiioBedBMG

6、在室溫下無塑性應變，而當溫度達到663K進入過冷液相區(qū)時，其應變量超過了40%叫LassAhsNizo塊體非晶在過冷液相區(qū)其延伸率甚至可以達到15000%叭(5) BMG合金嚴重的室溫脆性BMG在具有上述一系列突出力學性能的同時，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力應變曲線示意圖。從圖中可以看出，相對于傳統(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，當應力超過彈性極限，BMG合金將災難性斷裂，無塑性應變.這嚴重制約了BMG作為結(jié)構(gòu)材料的應用.圖1.3BMG、傳統(tǒng)晶態(tài)合金的室溫拉伸工程應力應變曲線示意圖BMG室溫變形、斷袈機制

7、由于BMG合金中不存在晶界和位錯等，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為，合金熔體在冷卻形成BMG的過程中會形成一部分過剩自由體積，這部分自由體積在變形的過程中起著決定性的作用在應力的作用下，自由體枳通過原子的擴敝改變著其總量及分布在應力集中的地方.形成相當多的自由體積，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，使變形集中于單個剪切區(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，計算了變形圖上的均勻流動與非均勻流動區(qū)域的邊界線.Spaepen還對原子擴散和躍遷過程進行了分析，推導出承受剪應力的非晶結(jié)構(gòu)，剪應力、自由體積和應變速率間的關(guān)系的流變方程，并進一步分析了高應力導致過剩自由體積產(chǎn)生的過程，獲得了單位時間自由體積產(chǎn)生和淹沒的表達式岡.1979年,Argon110,在自由體積模型的基礎上，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展.Argon認為，在外加應力的作用下，自由體積開始聚集并引起應變軟化，從而使塑性變形集中于100個原子左右的微小區(qū)域圖1.4是非晶合金變形的原子變形機制的二維

9、圖.從中可以看出，通過原子的躍遷，局域帳子結(jié)構(gòu)進行賣排，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，所需的外加應力也就越低.圖1.4非晶合金變形的原子變形機制対二維圖“012009年，Dubach等人何在Argon所提出的理論的基礎上，提出了BMG室溫下非均勻變形的本構(gòu)方程.其表達式為：dlna=mjdlnf+dlnm.=m,+'沁dna(12)其中，dlno表示流動應力的瞬變，g表示應變速率敏感指數(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程中應變速率對流

10、動應力的影響，并通過對非晶合金熱橄活剪切過程的微觀機制的分析，對應變速率敏感指數(shù)進行了修正.(2)絕熱升溫軟化模型不同于自由體積模型，絕熱升泡模型認為，BMG鼻性變形中儲存的能童的釋放，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通過在ZsiTigCu心NiioBens非晶合金上包覆一層薄的低熔點錫，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切在動態(tài)壓縮試驗中.利用高速紅外測溫系統(tǒng)測得剪切帶內(nèi)溫升可達775K,遠趙過了該BMG合金玻璃轉(zhuǎn)變溫度這些都表明了在BMG變形的過程中，剪切帶存在著很明顯的溫升.在變形帶中，溫度超過玻璃轉(zhuǎn)變溫度，將導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的變形機制還沒有統(tǒng)一的認識.如Da