本文關(guān)鍵詞： 金屬玻璃薄膜 大塊金屬玻璃 變形模式 尺寸效應 剪切轉(zhuǎn)變區(qū) 應變速率 納米壓痕 塑性變形 中溫脆性 剪切帶　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：金屬玻璃,又稱非晶態(tài)合金或者無序態(tài)合金,是一種新興的金屬材料。金屬玻璃具有眾多非常優(yōu)異獨特的力學和物理性能,并擁有著廣闊的應用前景。此外,由于其同時擁有玻璃、金屬、固體和液體特性,金屬玻璃還成為了人們探索凝聚態(tài)物理與材料科學中一些重要基本問題的理想模型體系,豐富和加深了人們對無序態(tài)結(jié)構(gòu)的理解。八十多年以來,金屬玻璃已經(jīng)逐步克服了臨界尺寸小的難題,從最初的“愚蠢的合金”,如今已經(jīng)成為學者們的研究熱點。然而,從基礎(chǔ)科學和工業(yè)應用的角度出發(fā),金屬玻璃研究領(lǐng)域目前存在許多基本問題和挑戰(zhàn)需要解決。在力學領(lǐng)域,科研工作者們需要探索金屬玻璃在不同狀態(tài)下的變形機制,以及金屬玻璃性能、變形行為與微觀機理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間存在的關(guān)系。本論文的主要工作圍繞著以上兩個關(guān)鍵問題展開初步探索,通過對薄膜以及塊體金屬玻璃不同狀態(tài)下變形行為的研究,探索了金屬玻璃變形模式轉(zhuǎn)變的尺寸效應;采用合理的科學手段,系統(tǒng)研究了寬廣溫度區(qū)間下的材料力學性能變化趨勢;并通過納米壓痕技術(shù)研究了金屬玻璃不同狀態(tài)下的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)及其體積和激活能,從基本流變單元的微觀角度分析了金屬玻璃的變形行為。得到的主要結(jié)果如下:(1)系統(tǒng)研究了磁控濺射技術(shù)制備的La57Al25Co18、Cu50Zr50和Fe70Y8B22金屬玻璃膜材料彎曲變形行為的尺寸效應。當薄膜厚度減小到臨界值以下時,其變形模式將從局域變形模式轉(zhuǎn)變到非局域變形模式,變形模式轉(zhuǎn)變臨界尺寸與樣品的泊松比不存在明顯的關(guān)聯(lián)。通過結(jié)合已報道的多種金屬玻璃中的變形模式轉(zhuǎn)變臨界尺寸,我們發(fā)現(xiàn)臨界尺寸和玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)存在明顯的負相關(guān)關(guān)系。(2)系統(tǒng)研究了 Ni-Nb金屬玻璃薄膜材料中,拉/壓應力狀態(tài)對材料力學性能和剪切轉(zhuǎn)變區(qū)(STZ)的影響。本工作利用磁控濺射技術(shù)在鈦基底上制備Ni-Nb金屬玻璃膜材料,采用同心軸使金屬玻璃薄膜/鈦基底同時彎曲,實現(xiàn)在薄膜上拉/壓應力的對稱分布狀態(tài)。通過對彎曲樣品進行納米壓痕實驗,發(fā)現(xiàn)相比于拉應力,壓應力下樣品的硬度和模量較高,并且STZ的體積和激活能減小,因此降低了剪切局域化變形的傾向,并導致鋸齒狀信號或者Pop-in的數(shù)量增加、長度減小。壓縮區(qū)中STZ較容易被激活,這和金屬玻璃薄膜拉伸區(qū)變形模式轉(zhuǎn)變的臨界厚度要明顯低于壓縮區(qū)的臨界厚度這一實驗結(jié)果相吻合,即壓縮區(qū)樣品更容易發(fā)生從局域變形模式到非局域變形模式的轉(zhuǎn)變。(3)在磁控濺射技術(shù)制備的La-Co-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Ni-Nb和W-Ru-B金屬玻璃薄膜材料上,利用納米壓痕蠕變測量技術(shù),系統(tǒng)地研究了保載時間對這些金屬玻璃膜材料力學性能、蠕變行為和STZ的影響。在考慮到不同壓入深度下接觸剛度的變化之后,材料的硬度、楊氏模量和應變速率隨著保載時間遞減。同時,根據(jù)協(xié)同剪切模型(CSM模型),分析了不同階段蠕變中的應變速率敏感指數(shù)(m值)、STZ體積和激活能,解釋了與時間相關(guān)的材料力學行為和性能。相比于穩(wěn)態(tài)蠕變,瞬態(tài)蠕變下較高的應變速率會導致較少的潛在STZ形核點位、較大的STZ體積和激活能,從而會降低材料塑性變形穩(wěn)定性,這個結(jié)果于m值尺寸上亦有反映。(4)對三種磁控濺射技術(shù)制備的金屬玻璃薄膜材料,通過納米壓痕技術(shù),采用Berkovich壓頭,系統(tǒng)研究了在不同壓入深度下,材料尺寸效應對材料力學性能、蠕變行為和STZ的影響。不同于晶態(tài)金屬和塊體金屬玻璃,金屬玻璃薄膜材料的硬度在壓入較淺時更小,這和壓入較淺時較小的蠕變抗力和STZ激活能相吻合。在金屬玻璃薄膜材料中,由于存在較多的自由體積,導致其具有較多的STZ形核點位,限制了由于STZ形核點位匱乏導致的材料強化的機制,突出了由于應變梯度導致的幾何必需STZ軟化機制。(5)金屬玻璃的塑性對于其作為結(jié)構(gòu)材料的應用是一個重要問題,但是人們對其塑性的機理認識還不完全。本工作發(fā)現(xiàn)了材料的塑性不僅對測試溫度非常敏感,而且在中溫區(qū)(約0.6倍玻璃轉(zhuǎn)變溫度)存在一個塑性極小值,這是在金屬玻璃材料中首次發(fā)現(xiàn)這種中溫脆性(ITDM),不同于從低溫到高溫材料發(fā)生脆性到韌性轉(zhuǎn)變的傳統(tǒng)認知。多晶金屬材料的中溫脆性是位錯動力學導致的。然而,在金屬玻璃材料中,由于其不含位錯,發(fā)現(xiàn)該中溫脆性是由于升溫誘發(fā)中程序的擴散弛豫,引起剪切帶形核速率的減少導致。該中溫脆性現(xiàn)象凸顯了在不同溫度下了解金屬玻璃材料韌脆行為的重要性。
[Abstract]:Metal glass is a new kind of metal material , which is also called amorphous alloy or disordered alloy . It has many excellent and unique mechanical and physical properties , and has wide application prospect . In this paper , the mechanical properties , creep behavior and the influence of holding time on the mechanical properties , creep behavior of the metal glass film are studied by means of nano indentation technology .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG139.8

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 汪衛(wèi)華;;非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性[J];物理學進展;2013年05期

2 張博;Jan Schroers;;塊體金屬玻璃[J];物理;2013年02期

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本文編號：1477870