金属玻璃变形与断裂行为的尺寸效应研究

以锆、铜、钛基等多种金属玻璃为研究对象，通过机械方法改变试样的绝对几何尺寸，对试样进行拉伸、压缩、弯曲等传统试验和小冲压及限制压痕等新型试验，主要研究：（1）通过机械方式改变金属玻璃试样的尺寸，对试样进行拉伸、压缩、弯曲、小冲压和限制压痕试验，观察其剪切带萌生、稳定扩展和断裂的过程，比较不同金属玻璃材料的剪切变形能力和断裂行为，研究金属玻璃的剪切变形能力和断裂行为与材料几何尺寸之间的依赖关系，确定所研究的金属玻璃发生稳定剪切变形的临界尺寸；（2）通过机械方式和激光处理改变试样的表面状态，研究表面状态对金属玻璃剪切带的萌生与扩展的影响，探索表面状态对金属玻璃力学行为的尺寸效应的影响。通过对金属玻璃力学性能的尺寸效应研究，可以更深刻地揭示金属玻璃剪切变形和断裂行为的物理机制，研究结果可为发展具有优越力学性能的金属玻璃材料提供理论依据，因此本项目的研究具有重要的科学和现实意义。

研究了试样尺寸对金属玻璃压缩变形与断裂行为的影响。通过减小试样尺寸，韧性金属玻璃的压缩塑性变形量得到了显著提高。尤其是小尺寸的Zr50.7Cu28Ni9Al12.3和Zr52.5Ni4.6Al10Cu17.9Ti5试样可压缩成圆饼状而无明显开裂现象。揭示了韧性金属玻璃本质上具有良好的塑性变形能力。而Fe57.6Co14.4B19.2Si4.8Nb4和Mg65Cu7.5Ni7.5Zn5Ag5Y10等脆性金属玻璃在压缩变形时则同时发生破碎和剪切断裂。对于大尺寸的脆性金属玻璃，破碎断裂占主要地位，剪切断裂特征被破碎断裂所掩盖。而对于小尺寸的脆性金属玻璃试样，剪切断裂占主要地位，但破碎断裂方式仍然存在。由于弹性能在剪切断口上的瞬间释放，可以在Zr基和Ti基等金属玻璃的断裂瞬间观察到剧烈的发光现象。而对于Fe基和Mg基等金属玻璃，由于弹性能几乎都消耗在破碎断裂过程中，这是一种低能量密度的断裂方式，因而几乎观察不到发光现象。金属玻璃的剪切稳定性受到尺寸的显著影响：减小尺寸可以显著降低剪切带消耗弹性能的密度，进而提高金属玻璃的剪切稳定性。这种现象可以从弹性能角度来分析，即剪切带消耗弹性能的密度。发现金属玻璃剪切带消耗弹性能的密度强烈依赖于试样尺寸，减小试样尺寸可以显著提高金属玻璃材料的剪切稳定性。同时，剪切带消耗弹性能的密度理论也可以很好地解释试样尺寸导致的金属玻璃的韧性转变。这些结果的发现对于提高金属玻璃的剪切稳定性和理解金属玻璃的韧脆性断裂的本质具有重要现实意义。.研究了Ti基金属玻璃在冲压载荷下受约束条件时的变形与断裂行为，并研究了Zr基金属玻璃在冲压载荷下的尺寸效应。通过对Ti基金属玻璃冲压试样的下表面施加约束，Ti基金属玻璃表现出良好的变形能力，比无约束状态的变形能力显著提高。实验结果表明Ti基金属玻璃的变形与断裂强烈依赖于其所受的应力状态。在冲压试样的下表面观察到了径向、周向和螺旋形的剪切带及与剪切带相对应的剪切裂纹。径向和周向剪切带和剪切裂纹与双向拉-拉应力一致，而螺旋形剪切带和裂纹与双向拉-压应力状态相吻合。通过对下表面施加不同强度的约束，发现控制剪切裂纹的萌生或扩展均可以稳定Ti基金属玻璃的塑性变形，延迟剪切裂纹扩展到临界尺寸，可以在金属玻璃试样上形成丰富的多重剪切带。通过减小冲压试样的厚度，发现冲压塑性变形能力显著减弱，即临界剪切台阶减小，剪切带密度明显减小