金属玻璃变形及断裂机理研究

发布时间：2021-06-17 04:06

　　金属玻璃作为新兴的非晶态金属材料,无序的原子排列使其具有优异的物理、化学、力学性能。具有高强度、高弹性等突出力学特性的同时,金属玻璃也表现出独特的变形及断裂行为。室温下,金属玻璃的塑性变形局域在纳米尺度的剪切带内,剪切带在决定其变形能力、断裂失稳乃至力学性能上至关重要。然而由于没有晶态材料直观可见的类似位错的形变单元,从微观结构上认识金属玻璃的变形行为存在巨大困难,同时对剪切带的形成及扩展机制的认识尚不深入,关于金属玻璃的剪切带行为还存在许多未解之谜。另外,金属玻璃的拉伸脆性极大地限制了其作为高性能结构材料的应用,灾难性的脆性断裂是如何发生的,断裂失稳时的裂纹是如何起源,又是如何扩展的也是长期以来困扰学术界的根本性问题。本文采用一系列创新方法对金属玻璃的变形及断裂进行了系统研究,对认识金属玻璃的力学失稳取得重要进展。揭示金属玻璃塑性变形载体剪切带的结构。以磁性金属玻璃为模型体系,通过对塑性变形后起源于磁弹性耦合的磁畴结构的探测,精确表征了金属玻璃应变局域产生剪切带的精细结构,证明了纳米尺度剪切带形成时总伴随着微米尺度的剪切带影响区,并围绕剪切带中心形成应变梯度场,多重剪切带间通过剪切带... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市

【文章页数】：105 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

非晶态物质概观

金属玻璃通常是由金属熔体快速冷却避免晶化而成。如图1.2[31]，给出了液体凝固的两条途径，对应着玻璃和晶体的形成过程。在一定压强下，熔融液体随着温度的降低，通常会在凝固温度，也即熔点 Tm处发生液固一级相变，体积或焓发生不连续变化，体系内部发生了晶体形核长大过程从而形成晶态固体。当冷却速度足够快，熔融液体来不及形核结晶，进而形成了过冷液体，接着发生玻璃转变形成玻璃，此时体系内原子的大规模、大范围平动在实验室时间尺度上被冻结。过冷液体偏离平衡态形成玻璃的过程发生在较窄的温度区间，此时的特征弛豫时间大约在 102s 量级。玻璃转变过程中，体系的体积或焓随温度的变化率发生变化，体系的微观结构没有发生明显改变，也没有其他物理量的不连续突变，因此玻璃转变不同于传统定义上的相变，但玻璃转变的本质尚未可知[32, 33]。图 1.2 液体体积或焓随温度的变化。[31]Figure 1.2 Temperature dependence of a liquid’s volume or enthalpy.[31]经过玻璃转变由液态变为非晶态，金属玻璃保留了液体的微观结构特征，原子排列长程无序。但是是否存在某种“序”或结构单元来描述金属玻璃的微观结构，或者如何表征金属玻璃的结构特征，描述其原子排列规律一直以来是非晶态物理

第 1 章 绪论领域探索的根本问题[34, 35]。基于长程有序下的晶格周期性，晶体的结构可以用现代 X 射线衍射、电子显微技术等直接表征。但是金属玻璃原子排列长程无序，微观结构不具有周期性或对称性，通常的表征手段反馈的信息没法给出金属玻璃的结构规律。经过几十年的努力，结合最先进的实验技术、计算机模拟等手段，研究者们已构建了适用于非晶体系的概念和模型来描述金属玻璃的结构特征，并尝试建立其微观结构与宏观物性间的关联[36]。


本文编号：3234432