电镀沉积对金属玻璃丝力学性能的调控

Micro- and nanoscale metallic glassy wires are high-strength materials developed recently. Sub-micro scale metallic glassy wires have high strength and good ductility. However, micro scale metallic glassy wires fracture catastrophically without any tensile ductility under tension due to formation of shear band. Electrodeposition will be used to mitigate dynamic instability of local shear in micro scale metallic glassy wires. Firstly, we will optimize the electrodeposition technique to produce uniform metal layers with high interface quality. Based on this, we will summary the relationship between electrodeposition process, composition of the deposited metal, thickness of the deposited layer and mechanical behavior of electrodeposited metallic glass wire. Furthermore, in-situ tensile test and characterization of structure evolution will be performed to unravel the physical mechanism of the deformation behavior of electrodeposited metallic glassy wires.

金属玻璃丝是新型的微纳米尺度高强度材料。在亚微米尺度，金属玻璃丝有很高的强度和很好的均匀塑性。而微米尺度的金属玻璃丝在拉伸载荷下由于剪切带的产生而发生灾难性的断裂。本项目将用电镀沉积的方法减缓金属玻璃丝局域剪切形变的动力学不稳定性，以提高微米尺度金属玻璃丝的拉伸塑性。首先，我们会探索电镀沉积工艺，制备出均匀且有高界面质量的镀层金属。我们将在此基础上总结电镀工艺、镀层金属成分和厚度对金属玻璃丝力学行为的调控规律。最后我们会通过原位拉伸测试和变形过程中的结构演化表征揭示电镀金属对金属玻璃丝力学行为调控的物理机制。

金属玻璃由于其原子排列长程有序且短程无序，没有位错、晶界和孪晶等晶体结构缺陷，因而具有优异的力学与功能特性。金属玻璃丝能够进一步拓展金属玻璃的力学与功能特性，如更高的强度和更好的塑性、优异的应变敏感特性、优异的电化学催化性能、巨磁阻抗效应等，具有很好的应用前景。面向不同的应用，需要不同的制备工艺制备金属玻璃丝。而有些工艺，如水纺法、泰勒法和模压法会使金属玻璃丝变脆。因此，需要寻求新的方法韧化金属玻璃丝。研究表明，在块体金属玻璃表面电沉积纯铜或纯镍等韧性金属材料能起到提高压缩塑性的作用。本项目在此启示下，采用电沉积工艺增加金属玻璃丝的韧性。. 在研究电沉积调控金属玻璃丝韧性之前，我们研究了制备工艺，尤其是冷却速率对金属玻璃丝拉伸力学行为的影响。我们使用熔体抽拉法制备金属玻璃丝，纯铜刀刃的转速决定了金属玻璃丝的直径大小。转速越快，直径越小，冷却速率也越大，金属玻璃丝中的自由体积越多。我们用Mohr-Columb准则对这些金属玻璃丝的屈服与断裂行为进行了分析，计算了金属玻璃丝的内聚强度。结果表明内聚强度随金属玻璃丝冷却速率的增大而增大。这一工作揭示了金属玻璃丝屈服行为与其自由体积分数大小之间的内在联系。. 金属玻璃丝与电沉积金属之间的结合属于机械结合，所以对金属玻璃丝表面摩擦行为的研究是必要的。我们采用纳米划痕的方法进行研究，用去线性扰动分析方法划痕载荷的时间尺度和粘滑运动动力学行为。考察了划痕载荷时间尺度上的自相似性。不同划痕载荷下差分摩擦系数的置信区间说明了划痕过程是一个非均匀剪切带形成的过程。. 在以上基础上，我们调整电沉积工艺，当镀铜的电流密度小于1 mA/mm2时，电沉积金属镀层与金属玻璃丝之间有一个良好的结合。在拉伸的过程中，镀层与金属玻璃丝之间始终保持同步变形，没有出现镀层与金属玻璃丝滑脱的现象。拉伸实验结果表明，当铜镀层的体积百分数小于45%时，镀层与金属玻璃一起发生剪切断裂。当镀层体积百分数超过这一数值时，镀铜金属玻璃丝开始出现塑性变形。当镀层体积百分数达到97%时，拉伸塑性达到7.1%。SEM观察结果表明这个表观拉伸塑性是由于大量剪切带造成的。同时我们还注意到，金属玻璃丝上没有出现紧缩现象。