金属玻璃力学行为及其微观机理的初探

发布时间：2018-01-31 02:01

本文关键词： 金属玻璃薄膜大块金属玻璃变形模式尺寸效应剪切转变区应变速率纳米压痕塑性变形中温脆性剪切带　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属玻璃,又称非晶态合金或者无序态合金,是一种新兴的金属材料。金属玻璃具有众多非常优异独特的力学和物理性能,并拥有着广阔的应用前景。此外,由于其同时拥有玻璃、金属、固体和液体特性,金属玻璃还成为了人们探索凝聚态物理与材料科学中一些重要基本问题的理想模型体系,丰富和加深了人们对无序态结构的理解。八十多年以来,金属玻璃已经逐步克服了临界尺寸小的难题,从最初的“愚蠢的合金”,如今已经成为学者们的研究热点。然而,从基础科学和工业应用的角度出发,金属玻璃研究领域目前存在许多基本问题和挑战需要解决。在力学领域,科研工作者们需要探索金属玻璃在不同状态下的变形机制,以及金属玻璃性能、变形行为与微观机理以及内部结构之间存在的关系。本论文的主要工作围绕着以上两个关键问题展开初步探索,通过对薄膜以及块体金属玻璃不同状态下变形行为的研究,探索了金属玻璃变形模式转变的尺寸效应;采用合理的科学手段,系统研究了宽广温度区间下的材料力学性能变化趋势;并通过纳米压痕技术研究了金属玻璃不同状态下的剪切转变区及其体积和激活能,从基本流变单元的微观角度分析了金属玻璃的变形行为。得到的主要结果如下:(1)系统研究了磁控溅射技术制备的La57Al25Co18、Cu50Zr50和Fe70Y8B22金属玻璃膜材料弯曲变形行为的尺寸效应。当薄膜厚度减小到临界值以下时,其变形模式将从局域变形模式转变到非局域变形模式,变形模式转变临界尺寸与样品的泊松比不存在明显的关联。通过结合已报道的多种金属玻璃中的变形模式转变临界尺寸,我们发现临界尺寸和玻璃转变温度(Tg)存在明显的负相关关系。(2)系统研究了 Ni-Nb金属玻璃薄膜材料中,拉/压应力状态对材料力学性能和剪切转变区(STZ)的影响。本工作利用磁控溅射技术在钛基底上制备Ni-Nb金属玻璃膜材料,采用同心轴使金属玻璃薄膜/钛基底同时弯曲,实现在薄膜上拉/压应力的对称分布状态。通过对弯曲样品进行纳米压痕实验,发现相比于拉应力,压应力下样品的硬度和模量较高,并且STZ的体积和激活能减小,因此降低了剪切局域化变形的倾向,并导致锯齿状信号或者Pop-in的数量增加、长度减小。压缩区中STZ较容易被激活,这和金属玻璃薄膜拉伸区变形模式转变的临界厚度要明显低于压缩区的临界厚度这一实验结果相吻合,即压缩区样品更容易发生从局域变形模式到非局域变形模式的转变。(3)在磁控溅射技术制备的La-Co-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Ni-Nb和W-Ru-B金属玻璃薄膜材料上,利用纳米压痕蠕变测量技术,系统地研究了保载时间对这些金属玻璃膜材料力学性能、蠕变行为和STZ的影响。在考虑到不同压入深度下接触刚度的变化之后,材料的硬度、杨氏模量和应变速率随着保载时间递减。同时,根据协同剪切模型(CSM模型),分析了不同阶段蠕变中的应变速率敏感指数(m值)、STZ体积和激活能,解释了与时间相关的材料力学行为和性能。相比于稳态蠕变,瞬态蠕变下较高的应变速率会导致较少的潜在STZ形核点位、较大的STZ体积和激活能,从而会降低材料塑性变形稳定性,这个结果于m值尺寸上亦有反映。(4)对三种磁控溅射技术制备的金属玻璃薄膜材料,通过纳米压痕技术,采用Berkovich压头,系统研究了在不同压入深度下,材料尺寸效应对材料力学性能、蠕变行为和STZ的影响。不同于晶态金属和块体金属玻璃,金属玻璃薄膜材料的硬度在压入较浅时更小,这和压入较浅时较小的蠕变抗力和STZ激活能相吻合。在金属玻璃薄膜材料中,由于存在较多的自由体积,导致其具有较多的STZ形核点位,限制了由于STZ形核点位匮乏导致的材料强化的机制,突出了由于应变梯度导致的几何必需STZ软化机制。(5)金属玻璃的塑性对于其作为结构材料的应用是一个重要问题,但是人们对其塑性的机理认识还不完全。本工作发现了材料的塑性不仅对测试温度非常敏感,而且在中温区(约0.6倍玻璃转变温度)存在一个塑性极小值,这是在金属玻璃材料中首次发现这种中温脆性(ITDM),不同于从低温到高温材料发生脆性到韧性转变的传统认知。多晶金属材料的中温脆性是位错动力学导致的。然而,在金属玻璃材料中,由于其不含位错,发现该中温脆性是由于升温诱发中程序的扩散弛豫,引起剪切带形核速率的减少导致。该中温脆性现象凸显了在不同温度下了解金属玻璃材料韧脆行为的重要性。
[Abstract]:Metal glass is a new kind of metal material , which is also called amorphous alloy or disordered alloy . It has many excellent and unique mechanical and physical properties , and has wide application prospect . In this paper , the mechanical properties , creep behavior and the influence of holding time on the mechanical properties , creep behavior of the metal glass film are studied by means of nano indentation technology .

【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG139.8

【参考文献】