放电等离子烧结块体非晶合金的微观结构演变与力学行为关系的研究

Although spark plasma sintered bulk amorphous alloys posses high strength, their industrial applications are largely restricted for poor plasticity. By combining the numerical analysis with experimental testing, this project thus aims at systematic and quantiative investigation on the above mentioned problem. The main content of the project includes: (1) Glassy powders are produced by a high pressure argon gas atomization method, and bulk amorphous alloys are fabricated by spark plasma sintering (SPS)of these gas-atomized glassy alloy powders; (2)Micro-structure and mechanical behavior of the as-prepared and pre-deformed(including cold-rolled and cycle compression ) bulk amorphous alloys fabricated by SPS are carefully elucidated using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), x-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscope (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), nanoindentor, and so on; (3) Based on experimental and theoretical analysis, the relation between visoelastic( viscoplastic ) deformarion behavior and microstructure defect as well as its evolution are explored in detail; (4) Spark plasma sintered bulk amorphous alloys with a compressive plasticity over 5% are obtained by optimization of process parameters in SPS and pre-deformation process parameters.The current project provides an insight into the deformation of amorphous alloys and their correlation with strcture and properties, therefore it has important theoretical and practical significance.

放电等离子烧结块体非晶合金尽管具有高强度，但塑性缺失严重制约了这类材料的工程应用。为此，本项目以放电等离子烧结块体非晶合金为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，针对其塑性缺失问题进行系统而定量的研究。研究内容包括4个方面：(1)用气雾化法制备非晶合金粉末，通过放电等离子烧结技术制备块体非晶合金材料；(2)利用高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、纳米压痕仪等分析放电等离子烧结技术制备的块体非晶合金及其预变形(包括轧制和循环压缩载荷)后的微观结构和力学行为；(3)结合实验、理论分析和数值模拟，细致探讨微结构缺陷及其演化与块体非晶合金黏弹性行为和黏塑性行为的关联；(4)优化放电等离子烧结工艺和预变形工艺，制备具有5%以上压缩塑性的烧结块体非晶合金材料。本项目的研究将有利于澄清非晶合金变形机理与结构及性能的关系，具有重要的学术价值和应用价值。

无论是放电等离子烧结还是铜模铸造法制备的块体非晶合金，均面临室温塑性缺失这一困境，进而制约这类新颖材料的工程应用。本项目采用实验和数值模拟相结合的方法，细致研究块体非晶合金的结构和力学行为的关联。主要研究涉及非晶合金成分设计和力学行为的微观机理。本项目重要结果包括以下7个方面：(1) 基于文献报道的数据和非晶合金热力学和动力学理论，提出了一个含非晶合金特征温度的形成能力的判据，与同类判据比较，该判据与非晶合金的临界值直径相关性最好；(2) 研制了一些拥有优异形成能力的非晶合金成分，如在Cu-Zr-Al三元系制备出临界直径达12 mm的非晶合金；(3) 针对实验上很难分析压痕蠕变中黏弹和黏塑变形，本研究采用合适的流变模型，提出了一种分离纳米压痕蠕变中的黏弹形变和黏塑性形变的方法；(4) 甄别纳米压痕曲线上的锯齿事件对基于纳米压痕技术探究非晶合金形变机理非常重要，本研究采用统计的方法，很好地去除了背景噪声的影响，进而提出了一种将纳米压痕下的锯齿事件从载荷-位移曲线上进行分离的方法；(5) 基于纳米压痕载荷-位移曲线，提出了一种计算STZ体积的新方法；(6) 基于文献数据，用非线性拟合的方法，提出了一个含约化玻璃转变温度和脆值的玻璃形成能力判据， 参数在迄今报道的同类判据中，是与实验结果吻合度最好的判据；(7) 基于逾渗理论、剪切转变区理论和自由体积理论，建立了一个逾渗模型用于预测非晶合金韧脆转变，利用提出的模型，计算了一系列非晶合金的韧脆转变阈值，发现这些合金的韧脆转变阈值均约为0.516，相似于非晶合金剪切屈服时临界约化自由体积均是约为2.4%。本项目的研究将有利于澄清非晶合金变形机理与结构及性能的关系，具有重要的学术价值和应用价值。