脉冲电流下块体非晶合金均匀形变行为研究

Superplastic deformation of bulk amorphous alloys in the supercooled liquid region is an effective approach to widen its practical range that has been hindered by room fragility and poor processability.Since a typical bulk amorphous alloy has a large resistance value (150-300μΩcm )but a very low resistance temperature coefficient,utilization of pulse electric current can rapidly and uniformly heat an amorphous alloy to temperatures spanning the undercooled liquid region and suitable for processing.The aim of this project is to investigate the homogeneous deformation behavior of bulk amorphous alloys subjected to electric current and microstructure (short/medium-range order cluster and free volume) evolution during the process,reveal the superplasticity mechanism and key factor that plays a dominant role in the process of homogeneous deformation under multi-physical fields.The research results is beneficial to the comprehension of many kinds of physical phenomena in the rapid thermoplastic forming process of bulk amorphous alloy using electric heating method and provides technical experiences to implement complex net shapes under rheological conditions typically used in molding of plastics.

室温脆性和难以加工性制约了块体非晶合金在工业领域中的应用，利用其在过冷液态区的超塑性形变是解决非晶材料塑性成型的有效途径。非晶合金材料具有高电阻值（一般为150-300μΩcm）及低电阻温度系数，可以引入脉冲电流实现对材料快速升温/降温， 迅速达到适宜加工的温度同时避免晶化。本项目研究块体非晶合金在脉冲电流加热作用下的均匀形变行为及机理，弄清块体非晶合金的微观结构(短/ 中程有序畴和自由体积等)的演化过程及其对形变行为的影响，揭示在电-热-力场多场耦合下影响块体非晶合金超塑性变形机制的关键因素，为块体非晶合金材料的电流加热成形技术的发展以及在工业领域中的应用提供理论指导，同时也为块体非晶材料用于复杂零件的精密成型提供可借鉴的技术路线。

块体非晶合金的室温脆性和难以加工性一直是阻碍其工业应用的主要问题，如何改善块体非晶合金的室温脆性，提高其塑性变形能力，一直是非晶合金研究领域的热点问题。本项目首次发现了脉冲电流可以在块体非晶合金中产生电塑性效应。在块体非晶合金拉伸变形中通入脉冲电流，利用电流对材料的焦耳热和电迁移作用，从而实现块体非晶合金在低于玻璃转变温度以下发生均匀的塑性变形，这对于改善块体非晶合金的低温成形能力具有重要的科学意义和工业价值。所取得的主要成果有：（1）测量了Zr55Cu30Al10Ni5、Zr61Ti2Cu25Al12和Zr52.5Cu17.9Ni14.6Ti5Al10三种Zr基块体非晶合金从室温到晶化温度之间的电阻率-温度曲线，建立了非晶合金结构弛豫、晶化及晶相转变等过程与电阻率变化之间的对应关系；（2）搭建了一个电流参数可控，实时测量应力、应变及温度变化的电塑性效应测试平台；（3）研究了在不同脉冲电流参数下Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金的拉伸变形行为，发现脉冲电流能促使试样发生明显的塑性伸长，非晶试样能够获得15% ~ 20%的拉伸应变量，试样的变形应力和应变量强烈地依赖于脉冲电流的电流密度、电流脉宽以及拉伸的应变速率。试样在发生塑性变形时的最低温度为280℃，这远小于非晶合金的玻璃转变点，温度在试样的变形行为上起到了主导作用，脉冲电流自身的电迁移效应会加速这个过程，促使塑性流变在较低的温度下发生。（4）对变形后的试样进行XRD、DSC和显微硬度测试，发现试样在发生塑性变形后仍保持完好的非晶态结构，玻璃转变点Tg和晶化点Tx都发生了一定程度的降低，试样靠近断口的大变形区比相邻的小变形区含有更多的自由体积。 （5）利用“剪切转变区”（STZ）模型对非晶合金中存在的电塑性机理进行分析，结果认为脉冲电流的焦耳热效应会激发大量的STZ产生，STZ作为塑性变形的基本流变单元，在外加应力的作用下，其内部的原子团簇沿外加应力的方向进行协同运动，而脉冲电流引入的高密度电子流会对非晶结构的原子团簇产生强烈的冲击作用，同时非晶的不均匀结构导致的局域冷热循环而产生的热应力，会加速原子的运动，这些额外的作用力降低了STZ的变形抗力，使得非晶合金的塑性流变能够在相对较低的温度下发生。