内生非晶复合材料室温拉伸加工硬化和软化机理的研究

非晶复合材料由于在室温下可以发生宏观塑性变形而有望作为未来的新型高强结构工程材料。内生枝晶增韧的非晶复合材料在室温承载时表现为：在压缩条件下屈服后加工硬化主导直到发生断裂失效；而在拉伸时，屈服后发生少量加工硬化，其后软化主宰直到发生断裂失效，拉伸和压缩力学行为不对称。枝晶内部及两相界面处严重的晶格畸变、局域的非晶化以及界面处大量的位错塞积共同构成了压缩条件下的变形微观机理。然而，室温拉伸变形的微观机制尚不明了。我们知道，材料处于拉伸时在模式Ⅰ下发生断裂失效，只有屈服后能发生均匀变形也即出现加工硬化的材料才可能作为结构工程应用。本研究将探讨内生非晶复合材料在室温拉伸时加工硬化和软化的机理，通过高分辨和高能同步辐射来区分加工硬化和软化的形变结构特征，建立两相复合材料拉伸塑性变形过程中的本构方程，最终得出发生加工硬化的前提条件，为开发具有均匀变形能力的内生非晶复合材料提供理论依据。

由于非晶合金其独特的内部结构，使其具有非常好的力学性能，其断裂强度几乎接近完美晶体的理论断裂强度，因此非晶合金刚被人们发现就引起了研究者们强烈的兴趣，一直以来非晶合金被认为是最具潜力的工程应用材料。单相非晶合金虽然具有很高的强度、硬度以及大的弹性极限，但是有一个致命弱点就是室温脆性，这一弱点限制了非晶合金的广泛工程应用。本项目研究中通过向非晶合金中引入第二相形成非晶复合材料，明显改善了材料的塑性，在此基础上对复合材料的拉伸变形机理进行了深入探讨。.本研究中制备得到的非晶复合材料含有体积分数为41%的树枝晶，树枝晶尺寸大约为0.8-1.2 μm，这种材料不仅具有较高的拉伸强度，大约为1650 MPa，在室温下还具有了一定的塑性，室温应变大约为2.5%。但是该种材料拉伸时屈服后立即软化，没有加工硬化的现象出现，所以该非晶复合材料的变形行为简单分为两个变形过程来讨论：（1）弹性变形和（2）软化阶段。每个阶段都用了数学公式去描述。在过冷液相去（613K），非晶复合材料拉伸时没有发生像单相非晶合金那样的超塑性均匀流变。在过冷液相区拉伸时，非晶复合材料的力学性能受应变速率的影响，当应变速率从1 × 10-2/s降低到1 × 10-3/s时，屈服强度从1390 MPa降低到960 MPa，但是塑性几乎增加了一倍。.对于拉伸变形机理研究，选用了塑性较大的非晶复合材料，其拉伸塑性和强度分别达到7.6%和1510 MPa。基于五个变形阶段：（1）弹性-弹性变形阶段，（2）弹性-塑性变形阶段，（3）塑性-塑性（屈服平台）阶段，（4）塑性-塑性（加工硬化）阶段，（5）塑性-塑性（软化）阶段，建立起了一种非晶复合材料变形本构模型。每个阶段都进行了详细的理论描述，阐明了非晶复合材料的变形机理。此外，还利用了有限元模拟软件对该模型进行了验算，实验、计算和模拟结果三者非常吻合。.晶体第二相能明显改善材料塑性，但是第二相树枝晶的尺寸影响尚不清楚。本研究中制备了三种含不同树枝晶尺寸的非晶复合材料，拉伸实验结果表明不同的树枝晶尺寸将导致不同的力学性能，树枝晶尺寸与材料塑性的关系可以用抛物线来描述。将材料变形分为三个阶段，从树枝晶中位错及玻璃基底中剪切带的产生及演变出发，详细阐述了树枝晶尺寸与非晶复合材料塑性的关系。