块体非晶镦粗过程不均匀变形研究文献综述

 2022-11-26 13:00:51

文 献 综 述

1.1 研究背景

玻璃已成为继陶瓷之后，第二种重要的非金属材料[1]。同时，玻璃材料在东西方文化和文明的差异、分歧中扮演了至关重要的角色。而金属玻璃(又称非晶合金)是采用现代快速凝固冶金技术合成的，兼有一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型合金材料[2]。金属玻璃中的“金属”是指这种材料是由金属原材料熔炼而成。在微观结构上，金属玻璃更像是非常黏稠的液体。金属玻璃因此又被称作“被冻结的熔体”[2,3]。早在20世纪20年代，科学家已经开始探索人工制备金属玻璃的方法和途径。最早报道制备出金属玻璃的是德国科学家Krammer[4]，他采用气相沉积法首次制得金属玻璃膜。1950年，Brenner等人[5]采用了完全不同的方法———电沉积法制出了Ni-P金属玻璃。这种方法至仍被用于制备耐磨和耐腐蚀的非晶合金涂层。1954年，Buckel和Hilsch[6]用气相沉积法，将纯金属Ga和Bi的混合汽快速冷凝到温度为2K的冷板上也获得了金属玻璃薄膜。但是这些非晶薄膜的晶化温度都低于室温，不能成为实用的材料，也很难对其各种性能进行研究。因此人们对金属玻璃的科学问题、非晶态物理以及结构的研究远不及晶态材料那样深入。1955年，人们研究了含As，Te非晶半导体的制备方法，并发现非晶半导体具有特殊性能[7]。在金属玻璃制备和探索的同时，非晶态形成理论的研究在20世纪50年代取得重大突破。非晶态物质是复杂的多体相互作用体系，其基本特征是原子和电子结构复杂，微观结构长程无序，体系在能量上处在亚稳态，具有复杂的多重弛豫行为，其物理、化学和力学性质、特征及结构随时间演化。不稳定，随机性，不可逆是非晶物质的基本要素，自组织，复杂性，时间在非晶物质中起重要作用[8]。复杂的非晶态物质有很多基本而独特的性质.非晶态物质的复杂性没有能阻挡住人们对它的兴趣和研究。现在人们把越来越多的目光从相对简单的有序物质体系关注到复杂相互作用的无序非晶体系。近几十年来，非晶的研究在无序中发现有序，在纷繁和复杂中寻求简单和美，引领了新的研究方向，导致很多新概念、新思想、新方法、新工艺、新模型和理论，以及新物质观的产生。非晶态合金是50多年前偶然发现的一类新型非晶材料。非晶合金的发现极大地丰富了金属物理的研究内容，带动了非晶态物理和材料的蓬勃发展，把非晶物理研究推向凝聚态物理的前沿。今天，非晶物理已成为凝聚态物理的一个重要和有挑战性的分支。

1.2研究现状

尽管与晶体合金相比，非晶材料的许多变形性质仍不清楚，但其机械性能已被证明具有较高的科学研究意义和潜在的应用价值。在金属玻璃机械性能的最新进展中，着重强调了其塑性以及变形机制[9]。尽管非晶合金具有优异的力学性能，但由于非晶中的驰豫时间较慢，通常应变速率下仅有局部原子参与塑性变形，进而导致材料在局部应力集中的时候在核心处产生微裂纹，很容易在微小变形下就从核心向外辐射诱发灾难性断裂[10]。研究非晶合金的塑性变形机制将有助于改善材料可塑性，增强材料抗拉伸性、抗冲击性等安全性能。因而研究非晶在压塑过程中的不均匀变形对于了解其塑性变形机制有着很大的意义。回顾对金属玻璃的弹性和塑性变形的研究，重点是在理论和模拟（主要来自物理界）和实验结果（主要来自冶金界）之间建立联系。所涵盖的主题包括通过散射技术进行应变测量、弹性变形过程中的非仿射原子位移、剪切变换、本构方程、剪切带和应变硬化。例如张金龙等[11]通过对纯铜室温压缩变形过程的有限元模拟，分析了压缩过程中变形不均匀现象及等效应变分布规律，讨论了不同摩擦系数条件对变形不均匀性的影响。结果表明：压缩变形后形成端面难变形区和心部易变形区，竖直方向变形不均匀程度达到水平方向的4～5倍，并且不均匀程度随摩擦系数增加而显著增大。同时剪切带在支配金属玻璃的强度和塑性方面起着关键作用，在压缩下表现出两种传播模式，即渐进传播和同时传播。这两种不同的剪切带传播模式处于塑性变形的不同阶段。在宏观屈服之前，剪切带已经开始，但还没有穿透样品。这些插入剪切带表现出从末端到尖端的线性减小的塑性应变，显示了一种渐进的传播模式。一旦宏观屈服发生，主剪切带完全横切样品，并以同时滑动的方式传播。剪切带的渐进传播导致明显的加工硬化行为，这可以很好地解释为假设剪切带起始比传播更高的临界应力[12]。剪切带是材料中普遍存在的塑性变形模式。在金属玻璃中，剪切带特别重要，因为它们在控制室温下的塑性和破坏中起着决定性的作用[13]。金属玻璃通常是脆性的，因为它们通常在单轴拉伸下灾难性地失效。Liu, Y. H等人[14]在室温下，通过控制弹性模量来适当选择其组成，在ZrCuNiAl中合成了超塑性。微观结构分析表明，超塑料体金属玻璃由软区包围的硬区组成，使玻璃经历160%以上的真实应变。这一发现暗示了解决金属玻璃中的脆性问题的方法，并有一定的意义。根据不同塑性的三种块状金属玻璃的空间纳米硬度分布，W. H. Wang等对其力学异质性进行了量化。结果表明，具有较高机械异质性的金属玻璃具有较强的塑性。非晶压塑变形中，在其力学性能上会产生加工硬化。Scudino S等[15]分析了冷轧对Zr52.5Ti5CuNi14.5Al10大块金属玻璃(BMG)拉伸塑性和断裂行为的影响。结果揭示了冷轧材料相对于铸态BMG的断裂行为的显著变化。沿着与加载方向成45度的角度的预先存在的剪切带发生冷轧玻璃中的断裂。此外，断裂形态显示了沿剪切方向定向的规则静脉图案，这表明在断裂平面上有相当大的剪切应力作用。这与铸态玻璃的断裂行为形成对照，其中正常应力起重要作用。最后，即使在没有可见剪切带交叉点的情况下，在冷轧BMG中也观察到加工硬化。以上介绍了非晶科学中的主要概念、研究方法、重要科学问题和难题、非晶材料的形成机理、结构特征、非晶的本质、非晶中的重要转变-玻璃转变、非晶中的重要理论模型、物理和力学性能及非晶材料的各种应用等方面的研究概况和最新的重要进展。目前，各国都在致力于块体金属玻璃的研究和开发应用工作。我国对块体金属玻璃的研究取得了令人瞩目的进展。2003年和2007年在北京成功举办了第三届和第六届 “块体非晶态合金国际会议”。2006年，中国材料研究学会成立了非晶态合金专业委员会，推动了金属玻璃研究在我国的进一步开展。

参考文献

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  2. 郭贻诚, 王震西. 非晶态物理学[M]. 科学出版社, 1984.
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  5. Greer A L , Cheng Y Q , Ma E . Shear bands in metallic glasses[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2013, 74(4):71-132.
  6. Buckel W , Hilsch R . Einflu der kondensation bei tiefen temperaturen auf den elektrischen widerstand und die supraleitung fuuml;r verschiedene Metalle[J]. Zeitschrift Fuuml;r Physik, 1954, 138(2):109-120.
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  9. Schuh C A , Hufnagel T C , Ramamurty U . Mechanical behavior of amorphous alloys[J]. Acta Materialia, 2007, 55(12):4067-4109.
  10. Wang W H . The elastic properties, elastic models and elastic perspectives of metallic glasses[J]. Progress in Materials Science, 2012, 57(3):487-656.
  11. 张金龙, 李敏, 闫唅,等. 摩擦对室温压缩变形不均匀性的影响[J]. 锻压装备与制造技术, 2015(04):96-99.
  12. Wang, G, Liu, et al. Progressive shear band propagation in metallic glasses under compression[J]. Acta Materialia, 2015, 91 : 19-33..
  13. Greer AL, Cheng YQ, Ma E. Shear bands in metallic glasses[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2013, 74（4）: 71-132.
  14. Liu, Y. H., Wang, G., Wang, R. et.al.Super plastic bulk metallic glasses at room temperature. Science, 315(5817), 1385-1388.
  15. Scudino S, Surreddi KB. Shear band morphology and fracture behavior of cold-rolled Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 bulk metallic glass under tensile loading[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 708: 722-727.

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