非晶态合金薄膜力学行为的尺寸效应及其内在机理研究

Size effect of mechanical behavior (including elastic strain, deformation mode and so on ) in amorphous materials is the hot topic in the research field of materials science, but the temperature and strain rate dependence of this size effect has not been receiving extensive concern in the research field, limiting the application in the newly emerging fields such as micro-electro-mechanical system. In this proposal, we will first prepare amorphous alloy thin films by magnetron sputtering technology, and then cut amorphous alloy thin films into.micro/nano-scale free-standing tensile specimen by focused ion beam technique. By utilizing the nanoindentation machine equipped with the heating stage and in-situ SEM nano-mechnaical measuring system, we try to investigate the influence of glass transition temperature, Poisson’s ratio, free volume content, temperature and strain rate on the elastic strain limit and critical size for deformation mode change. At the same time, by using the nanoindentation technique and cooperative shearing model, the dependence of size or activation energy of shear transformation zone in amorphous alloy thin films on the specimen size, glass transition temperature, Poisson’s ratio, free volume content, temperature and strain rate will be established. The intrinsic relationship between shear transformation zone and size effect of mechanical behavior will be investigated. It will provide solid basis for understanding the size effect of mechanical behavior in amorphous alloy thin films from the microstruture viewpoint, which definitely contribute to the cognition of deformation mechanisms of amorphous materials.

非晶态材料的力学行为（包括弹性应变、变形模式等）尺寸效应是材料科学研究领域的热点问题，但尺寸效应的温度和应变速率相关性问题还未受到国内外学者的广泛关注，制约着非晶态材料在微机电系统等新兴领域内的应用。本项目通过磁控溅射技术制备非晶态合金薄膜，采用聚焦离子束技术加工微纳尺度、自支撑的非晶态合金薄膜拉伸样品，利用配备加热台的纳米压痕仪和原位扫描电镜纳米力学测试装置，探讨非晶态合金薄膜弹性应变极限、变形模式转变临界尺寸与玻璃转变温度、泊松比、自由体积含量、变形温度和应变速率之间的关系。同时，利用纳米压痕技术和协同剪切模型，揭示非晶态合金薄膜剪切转变区尺寸或激活能与样品尺寸、玻璃化转变温度、泊松比、自由体积含量、变形温度和应变速率的关系。建立剪切转变区与力学行为尺寸效应之间的内在联系，从微观角度为理解非晶态合金薄膜力学行为的尺寸效应奠定坚实基础，从而促进对于对于非晶态材料变形机理的认识。

非晶态材料的力学行为尺寸效应是材料科学研究领域的热点问题，但尺寸效应的温度和应变速率相关性问题还未受到国内外学者的广泛关注，制约着非晶态材料在微机电系统等新兴领域内的应用。在本项目中，我们使用高真空感应加热浇铸炉制备晶态磁控溅射靶材，采用直流磁控溅射方法成功制备出不同玻璃化转变温度和泊松比的W-Ru-B、Fe-Si-B-P-C、Ni-Nb、Cu-Zr、Zr-Cu-Ni-Al、La-Al-Co、Mg-Zn-Ca、Ni-Zr等金属玻璃薄膜，利用纳米压痕技术深入研究保载时间、压入深度、加载速率等对金属玻璃薄膜剪切转变区的影响，及其与变形模式转变的相关性，建立剪切转变区与力学行为尺寸效应之间的联系。研究结果表明：剪切转变区的体积和激活能具有一定的速率敏感性、温度敏感性和尺寸敏感性，即变形速率越慢、温度越高、压入深度（样品尺寸）越小，剪切转变区就越容易激活，因而变形模式转变就越容易发生。实验中观察到的Mg-Zn-Ca金属玻璃薄膜具有极低的变形模式转变临界厚度，这种现象并不能通过弹性能机理（Griffith裂纹扩展准则）进行解释，我们引入材料本征脆性对变形模式转变临界尺寸的影响，认为Mg基金属玻璃极强的脆性（低泊松比）有利于剪切带扩展成剪切裂纹，这可能是造成极低临界厚度的原因。同时，深入探讨基底温度对非晶态合金薄膜结构、性能以及变形模式转变的影响。高基底温度会导致非晶态合金薄膜表现出更密集的原子堆积、更光滑的表面、更好的抗氧化和晶化能力、更佳的耐磨性和更高的硬度和模量。高基底温度制备的非晶态Ni-Nb薄膜的变形模式转变临界厚度大于室温制备的薄膜，如果仅从弹性能的角度来看，这与Griffith裂纹扩展准则的期望是矛盾的。这是因为通过非晶态合金薄膜的微观结构是与基底温度密切相关，高基底温度沉积可以诱导致密原子堆积，减小有缺陷的界面，增强界面结合力，推迟剪切裂纹的出现。以上这些研究结果从微观角度为理解非晶态合金力学行为尺寸效应奠定基础，促进对于非晶态合金变形机理的认识。