几种大块非晶合金宏微观变形行为的研究

论文摘要

块体非晶合金具有优异的物理、化学及力学性能,在基础科学和实际应用领域越来越受到人们的关注。然而块体非晶合金室温下缺乏明显的塑性变形,从而限制了其作为结构材料在实际中的应用。因此,研究非晶合金的塑性变形机理和寻找提高塑性的途径是目前研究的热点问题。本文利用微纳米压痕方法和宏观单轴压缩方法,系统地研究了多种块体非晶合金体系的宏微观塑性变形行为。重点研究了非晶合金的压力敏感性（pressure sensitivity）,探讨了其压力敏感因子和硬化指数的物理本质及其影响因素;分析了具有不同压力敏感因子的非晶合金的剪切带形貌与演变规律;研究了玻璃转变温度,结构弛豫对非晶变形的影响;初步研究了非晶的挤压变形行为。主要结论如下:1、非晶合金的变形表现出压应力敏感性,其压力敏感程度可以用压力敏感因子来表征,压力敏感因子与非晶结构密切相关,随着非晶结构弛豫程度的提高,压力敏感因子增加,压力敏感因子大小反映了非晶在变形过程中的原子运动摩擦力的大小;2、在压痕变形条件下,非晶剪切带的形貌和演化与非晶的压力敏感因子密切相关。在维氏压痕和洛氏压痕变形条件下,剪切带夹角的变化随着压力敏感因子增加而减小,而在纳米压痕法变形条件下,其深度载荷曲线的曲率随压力敏感因子变化而变化。通过对压痕周围剪切带夹角的测量,可确定非晶材料的压力敏感因子;3、非晶合金在纳米压痕试验过程中的锯齿流变现象与合金体系的玻璃转变温度有关,具有适中玻璃转变温度的合金体系表现出显著的锯齿流变特征,而锯齿流变现象的出现不仅与加载条件有关,还与非晶的结构有关。随着非晶结构弛豫程度的增加,出现锯齿流变的临界加载速率降低;4、在La基、Zr基和Ni基非晶合金的纳米压痕周围,可观察到明显的材料堆积（pile-up）形貌特征,其pile-up高度与非晶合金的硬化指数有关;5、含原位生长晶化相的Nd基和Zr基块体非晶合金表现出较高的强度和室温塑性,其宏观塑性变形和力学性能与晶化相的尺寸、体积分数等密切相关;6、Zr基块体非晶的挤压变形行为对应变速率和温度有明显的依赖性,在355～415℃温度范围内,保持平稳流变所需的力从1.5KN到0.5KN,当温度为395℃,挤压速率为0.05mm/s时,保持平稳流变所需的力高达4KN。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 非晶材料和非晶合金的发展
• 1.2 大块金属玻璃的制备方法
• 1.3 大块非晶合金的应用前景
• 1.4 大块非晶合金的变形机制
• 1.4.1 自由体积模型
• 1.4.2 绝热升温软化模型
• 1.4.3 结构缺陷机制的位错模型
• 1.5 力学性能
• 1.5.1 弹性
• 1.5.2 强度和硬度
• 1.5.3 塑性和韧性
• 1.5.4 疲劳特性
• 1.6 大块非晶的压力敏感性
• 1.7 压痕方法在大块非晶合金变形行为研究中的应用
• 1.8 本工作的主要内容和意义
• 第2章 实验方法
• 2.1 所选非晶体系和实验设备
• 2.2 非晶样品的制备
• 2.3 非晶样品的测试
• 2.3.1 非晶样品特性的表征
• 2.3.2 压缩和挤压实验
• 2.3.3 压痕实验
• 第3章 非晶塑性变形压力敏感性的研究
• 3.1 合金结构和热稳定性
• 3.2 压痕剪切形貌特征
• 3.2.1 Rockwell和维氏压痕结果
• 3.2.2 纳米压痕结果
• 3.3 结构弛豫与敏感因子的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 具有不同压力敏感因子非晶合金的塑性变形特征研究
• 4.1 压痕形貌与残余塑性变形
• 4.2 压痕周围应力场分析
• 4.3 硬度变化
• 4.4 压痕周围的变形尺寸
• 4.5 压痕下方应力场变化与剪切带的关系
• 4.6 压缩断裂面夹角与剪切带夹角的关系
• 4.7 本章小结
• 第5章 非晶合金的锯齿流变行为
• 5.1 非晶合金的结构和热稳定性
• 5.2 大块非晶的锯齿流变特征
• 5.3 玻璃转变温度对压痕锯齿流变的影响
• 5.4 结构弛豫对锯齿流变的影响
• 5.4.1 结构弛豫样品锯齿流变特征
• 5.4.2 自由体积对锯齿流变的影响
• 5.4.3 结构弛豫样品的压痕形貌
• 5.5 本章小结
• 第6章 含晶化相的非晶合金的变形行为
• 6.1 Zr基非晶复合材料
• 6.1.1 Zr基非晶复合材料的结构特征
• 6.1.2 Zr基非晶复合材料的变形行为和断口形貌
• 6.1.3 Zr基非晶复合材料的压痕变形行为
• 6.2 Nd基非晶复合材料
• 6.2.1 Nd基非晶复合材料的结构特征
• 6.2.2 Nd基非晶复合材料的变形行为和断口形貌
• 6.2.3 Nd基非晶复合材料的压痕变形行为
• 6.3 本章小结
• 第7章 非晶合金硬化指数和挤压变形行为研究
• 7.1 硬化指数
• 7.1.1 应变硬化指数及其工程意义
• 7.1.2 硬化指数传统测量方法
• 7.1.3 压痕法测量硬化指数
• 7.1.4 压痕形貌与硬化指数
• 7.1.5 硬化指数与玻璃转变温度
• 7.2 非晶挤压变形特征
• 7.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 博士期间发表的学术论文