非晶合金中弹性应力诱发结构演化及与剪切带增殖的关联性

The spatial multiplication of shear bands (SBs) is an effective manner to ductilize the bulk amorphous alloys (BAAs), and it was found that the SBs closely correlate with the plastic deformation induced micro-structural evolution. Based on the characteristics of the elastic stress-induced micro-structural evolution in Zr-based BAAs, this project focused on the micro-structural evolution before yielding in Pd-based, Cu-based, Fe-based and Mg-based BAAs at room temperature. First, we aimed to elucidate the differences of elastic stress-induced micro-structural evolution in various BAAs mentioned above, and to explore its correlation with the deformability. Secondly, we aimed to understand the dynamic characteristics of elastic stress-induced micro-structural evolution before yielding by systematic investigation of the structural evolution that could be affected by temperature, elastic stress level, load holding time, and free volume, and so on. Thirdly, by studying the structure evolution of whole BAA specimens during the plastic deformation, we aimed to uncover the underlying mechanism of the spatial multiplication of SBs in terms of the elastic strain-induced micro-structural evolution in the regions outside SB. This study not only facilitates understanding the mechanism and characteristic of the plastic deformation in BAAs, but also opens a viable route to prepare high performance BAAs.

非晶合金的韧化需要剪切带的空间增殖来实现，而剪切带的增殖与应力诱发的结构演化密切相关。本项目拟在前期研究弹性应力诱发Zr基非晶合金结构演化的基础上，选择具有不同原子构型的Pd基、Cu基、Fe基及Mg基非晶合金为模型材料，首先研究合金在室温屈服前的结构演化规律，探索不同合金在弹性应力作用下的微观结构演化差异、及其与塑性变形能力之间的联系。其次，通过系统研究环境温度、弹性应力水平、载荷保持时间及初始自由体积含量等因素对屈服前结构演化规律的影响，分析弹性应力诱发非晶合金结构演化的动力学特征。第三，以加载过程中合金的整体结构演化作为研究对象，从弹性应力诱发非剪切带区域结构演化的角度出发，揭示剪切带增殖的内在机制。本研究不仅有助于对非晶合金塑性变形特征及机制全面、深入的理解，对于块体非晶合金作为新型高性能结构材料的应用也具有重要的应用价值。

基于非晶合金形变过程弹性应力诱发的微观结构演化特征，以锆基、镁基、钯基及铜基块体非晶合金为研究对象，通过弹性加载方案与塑性加载方案的比较，研究了合金塑性流变过程中剪切带外部区域材料的微观结构演化，发现弹性应力诱发合金自由体积含量的不同变化规律。对于锆基非晶、铜基非晶及钯基非晶合金，弹性应力诱发非晶合金自由体积增加，呈应变软化特征。对于脆性镁基非晶合金弹性应力诱发非晶合金自由体积减小，呈应变硬化特征。结合非晶合金形变过程的剪切带变形特征，温升-热传导，论证了弹性应力诱发微结构演化是块体非晶合金剪切带空间增殖的必要条件。. 以Vit.105块体非晶合金为研究对象，利用小高径比试样的循环加载宏观压缩变形，研究了合金的滞弹性行为，发现循环加载能量消耗ΔE值与加载速率成反比，这与弹性应力诱发微结构演化密切相关；循环加载能量消耗可以作为表征块体非晶合金剪切带空间增殖能力的参数，能量消耗越大，剪切带空间增殖能力也越高。. 通过添加氧及铌，发现非晶合金应力诱发结构演化及剪切带增殖存在添加元素依赖性。通过添加氧到Zr57Cu30Al8Ti5块体非晶合金中，发现氧虽然没有减少合金初始自由体积含量，但显著延缓了应力诱发的微观结构演化过程，最终导致Zr57Cu30Al8Ti5块体非晶合金明显脆化。通过添加铌到Cu55.5Zr37Ti7.5基非晶合金中，发现适量的铌添加不但改变了合金的初始自由体积含量，而且明显影响了合金形变过程的结构演化规律，适量铌添加明显诱发了Cu55.5Zr37Ti7.5基非晶合金形变过程剪切带的空间增殖，导致合金塑性提高。. 针对含B2相的Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料，系统研究了预加载温度对Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料微观结构演化的影响，发现应力诱发B2-CuZr相的马氏体转变明显存在温度依赖性，温度越低，转变量越少。由于B19'-CuZr马氏体相的出现将不利于Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料中剪切带的增殖，因此经低温预处理的Cu48Zr48Al4非晶合金复合材料力学性能优化更好。CuZr基非晶合金复合材料的承载环境是影响其后续力学行为的一个重要因素，在实际工程应用时需要考虑。