块体非晶合金韧塑性研究现状


编者按


       《块体非晶合金韧塑性研究现状》一文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,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。本文的通讯作者为兰州理工大学材料科学与工程学院赵燕春副教授。

       块体非晶合金(BMG)的力学性能优异,与常用工业材料的强度和弹性极限比较,非晶合金的断裂强度超过1GPa,弹性储能密度约为晶态材料的八倍。BMG内部结构为玻璃态,不存在晶态材料中的位错、晶界等缺陷,因此具有高的强度和硬度,远高于同成分体系晶态金属。

块体非晶合金的韧塑性


       近年来,人们针对如何提高非晶合金室温塑性和断裂韧性做了深入的研究工作,提出了多种增韧方法,如喷丸、设计高泊松比BMG、设计具有微观起伏结构的铸态相分离BMG、引入晶相增韧等,这些方法使BMG的韧塑性都得到了有效改善。


       理解应力加载时的室温塑性变形机制是提高BMG韧塑性的前提。金属玻璃通过高度局域化的剪切带的形成和扩展而发生塑性变形,因此,提高金属玻璃的室温塑性取决于剪切带在整个试样中均匀分布的程度。


韧塑性研究现状


1、第二相塑韧化BMG基复合材料


       第二相的引入方法有两种:外加法和内生法。


       内生法即原位自生,是通过设计使BMG偏离最佳非晶形成能力的合金成分点而得到复合材料;或通过控制冷速、铸造冷凝过程,在非晶基体原位析出具有一定尺寸、形貌和分范围的塑性相,如纳米晶、准晶、树枝晶和马氏体相等。晶态塑性相的剪切模量应低于非晶基体,且具有一定的尺寸和弥散分布才能有效增韧基体。


图1:金属玻璃基复合材料的分类 


       外加法主要包括三种工艺:(1)将高熔点的纤维、颗粒、丝等加入非晶熔体中并通过铸造获得 BMG 基复合材料;(2)将高熔点的纤维、颗粒、丝等加入到具有强非晶形成能力的合金粉末中通过热压烧结法获得BMG基复合材料;(3)通过退火或者强变形使 BMG 部分晶化,第二相可为球晶或树枝晶、准晶、微纳米晶等。


       外加法相对于内生法而言工艺复杂,而复合相的组分含量、与基体的界面结合强度、尺寸大小和塑性的关系复杂,更难以控制。

2、泊松比判据

       早在1975年,Chen等提出了金属玻璃的韧塑性与泊松比之间有关联。


图2:断裂韧性和弹性模量比、泊松比之间的关系


       BMG的泊松比越大,材料断裂前吸收的能量越高,韧塑性越好。因此,泊松比可用来衡量BMG的塑性变形能力,即非晶塑性的泊松比判据。但是,这一判据并不是本征性的,而是经验判据,因此,泊松比判据和成分体系以及结构的关联性仍需进一步深入研究。


3、尺寸效应


       在BMG加载时,几何约束会影响剪切带的形成和扩展,从而影响塑性行为。Conner等研究发现,在弯曲实验中,剪切带间距与试样的厚度密切相关。试样厚度越小,剪切带密度越大,塑性越好。


图3:样品尺寸对塑性应变的影响

4、通过预变形预制多重剪切带


       非晶合金的塑性变形能力与剪切带的数量和剪切变形量控制有关,剪切带数目越多、剪切变形量越大,则非晶合金的塑性变形能力越大。


       在压缩载荷下,多重剪切带的产生以及剪切带的滑移分枝、互相交叉阻滞行为有效防止了非晶合金沿单一剪切带发生迅速断裂,能够有效提高材料的塑性。因此,通过预变形来预制多重剪切带可改善塑性。


       轧制后玻璃组织出现变形区和非变形区,即软区和硬区,且轧制塑性变形过程中自由体积增加、原子间结合力降低、临界剪切应力减小,预先形成了大量密集均匀的剪切带,在重新压载时预形成的剪切带被激活增殖使得BMG的宏观塑性显著提高。


       另有研究报道,一些体系的冷轧试样在重新压载时有纳米晶在剪切带上或者玻璃基体中大量析出,从而引起剪切带的增殖和扩展行为的变化,可显著提高材料的塑性。


       另外,对非晶表面进行处理(如加上封套、加压或者引入表面缺陷等)是通过外加条件促使剪切带的形成和扩展行为的变化,并耗散能量来提高BMG的塑性。


       汪卫华、Greer等对Zr基金属玻璃进行喷丸处理,引入表面残余压应力,促进剪切带的增殖并阻碍其扩展,大大提高了 BMG 的压缩塑性。


图4:喷丸表面处理对Zr基金属玻璃塑性的提高


5、非晶表面涂层增韧


       Chen等在Zr57Al10Ni8Cu20Ti5非晶表面电镀88μm左右的铜层后,其塑性由2%显著提高至20%。


       Nieh等指出非晶表面涂层的存在有效抑制了压缩、弯曲等条件下非晶剪切带的局域化,促进多重剪切带的产生,进而提高非晶的塑性,但对于拉伸条件下的作用机制需要进一步研究。


6、冷热循环处理抗非晶合金老化


       该工艺是将非晶合金置于液氮或液氦中进行深冷处理后快速升温至室温,经过数十次热处理循环后,非晶合金的硬度下降,而压缩塑性显著提高。


图5:Zr62Cu24Fe5Al9 BMG经热循环处理后的压缩塑性


       直径为1.5mm的Zr62Cu24Fe5Al9合金试样经338K至77K温度区间的热循环处理后,塑性由铸态的4.9%提高到7.8%。


图6:Zr62Cu24Fe5Al9 不同尺寸试样经热循环处理后的压缩塑性


       该合金的压缩塑性表现出明显的尺寸效应,但随着冷热循环处理次数的增加,不同尺寸的试样的压缩塑性均显著增加,而显微硬度降低。研究结果表明,通过冷热循环处理可以有效调控非晶合金中的流动单元,提高非晶合金的抗老化能力。


       汪卫华研究组提出了流动单元(Flowunits)模型,这种纳米尺度的类液体区域具有较低的原子堆积密度,较低的硬度和模量,较高的能态,在加载形变中有利于剪切带的产生和增殖,因此,经过热循环处理之后流变单元的数量显著增加,可有效提高非晶合金的宏观塑性。


结语


       提高室温塑性和断裂韧性一直是块体非晶合金作为先进结构材料应用亟待解决的关键问题。非晶合金的研究过程充满了挑战和荆棘,为推动非晶合金的应用和产业化,获得良好拉伸塑性和断裂韧性仍是不同非晶合金体系未来的研究目标和重要发展方向。


来源:材料导报 2018年2月 第32卷 第2期 赵燕春,许丛郁,袁小鹏,等《块体非晶合金韧塑性研究现状》

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