电镀沉积对金属玻璃的仿生韧化研究

This project aims to follow the design strategy of bio-materials. Two types of architecture will be constructed using small individual bulk metallic glass (BMG) specimens, and the skeleton will be concreted with crystalline metal by electrodeposition. As a result, the small BMG specimens can be used to produce large-size parts without any reduction of the strength, and the large parts can be toughened thanks to the greater efficiency of energy dissipation when the bionics is taken into account. The species, size and surface roughness of the BMGs and the composition and volumetric percentage of the electrodeposition metal can be changed easily, so their effect on mechanical performance of the BMGs can be investigated conveniently, and the underlying physics of affecting can be clarified as compared to as-cast BMGs. In this foundation, we choose two typical species of BMGs with different toughness, and set them up with the identical architecture and electrodeposition. The deformed samples with various plastic strains will be scanned by electron microscope to observe the formation, development and distribution of the shear bands, so the comparison of the mechanism and effect of the toughness enhancement method taken in this project among BMG species can be made. Finally, the general guideline for toughening BMGs will be shown in principle.

本项目旨在模仿生物材料中的结构设计，用小尺寸块体金属玻璃样品搭建两种仿生细观构型，利用电镀的方法将金属沉积于金属玻璃的构架中。在不降低单个金属玻璃样品强度的前提下，突破样件的临界尺寸限制，同时利用仿生结构的能量耗散机制提高大尺寸金属玻璃样件的韧性。通过改变金属玻璃体系、样品尺寸、表面粗糙度，沉镀金属种类和体积百分比等，考察这些参数对样件力学性能的综合影响，与未进行任何处理的铸态块体金属玻璃的变形行为进行比较，弄清这种影响背后的物理机制。在此基础上，选择两种韧性相差较大的金属玻璃体系，采取完全相同的仿生细观结构和电镀沉积方案，在样件发生了不同塑性变形量时卸载，利用扫描电镜观察剪切带的萌生、发展和分布情况，对比研究本项目所采用的方法对不同体系金属玻璃增韧的机制和效果差别，并在理论上分析得出金属玻璃增韧的一般性指导原则。

金属玻璃自被制备以来就一直受到其临界尺寸较小和脆性的限制。临界尺寸小主要是因为其有限的玻璃形成能力，而脆性则是本项目关心的重点。本项目的初衷在于利用电镀沉积的方法模仿生物材料中的特殊结构，在不降低金属玻璃强度前提下提高其韧性。在项目完成的过程中，成功地进行了单根和双根金属玻璃棒的电镀。对电镀后的单根金属玻璃棒状样品进行了压缩和拉伸试验，实验结果基本符合预期。.在此基础上，本项目还探索了在过冷液相区制备层状结构的金属玻璃样品，发现这种层状结构对金属玻璃韧性有所改善。我们主要采用了Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5体系金属玻璃，在其过冷液相区对其进行了热扩散链接。结果发现，如果制备时压力和时间取得足够大，那么温度就是一个非常重要的因素，它直接决定了热扩散是否能进行良好。扩散链接后的样件进行了三点弯测试，发现其韧性和铸态样品相比略有改善。经过本课题的研究，针对我们所采用的Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5体系，得到了以下结论：.1. 当压力采用100-150 MPa，时间采用10 min时，温度须控制在420-440 摄氏度范围内方可对Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5 成功实施热扩散链接，并且可以有效避免样件晶化。2. 热扩散链接后样件的性能不仅取决于片层之间的结合力而且取决于片层内部原子的重排。3.温度、压力和时间共同决定了热扩散链接是否能够成功，这三个因素的优化能够使样件的性能达到最佳状态。 .另外，本项目还首次在研究了金属玻璃棒状样品的屈曲。在相同的长径比情况下，金属玻璃样品比晶态材料样品更容易屈曲。当长径比达到20时，屈曲更加明显。 经过本课题的研究，我们发现金属玻璃高强度的优点会被其屈曲掩盖，此时的屈曲一般为弹性屈曲。当样品发生塑性屈曲时，金属玻璃的脆性在一定程度上被克服了，样品的失效方式比较温和，不会发生灾难性脆断。这种温和的失效模式得益于屈曲时样品横断面的特殊应力状态，进而增强了金属玻璃这一新型结构材料的可靠性。.最后，还研究了本领域内人们长期关心的焦点问题-剪切带的温度。由于剪切带的空间非常局域、持续时间极短，因此对其的研究非常困难。先前人们根据断面的熔滴推断剪切带的温度。本课题解析地给出了剪切带温度随空间距离和时间的演化过程，还进一步考虑了剪切带的厚度。根据整个测试系统释放的能量，可以方便计算出剪切带的温度。