三维拉应力下块体非晶合金变形行为及断裂机理研究

Shear induced softening is considered as the nature phenomenon in bulk metallic glasses (BMGs), which leads to little plasticity at room temperature, and highly restricts the application of BMGs as structure materials. How to suppress shear banding and to improve the deformation ability of BMGs at room temperature has become one of the most important topics. In this project, the formation and propagation of shear band will be suppressed by introducing the triaxial tensile stress and the deformation behavior and fracture mechanism of BMGs will be investigated, revealing a new deformation behavior and fracture mechanism. Combining with free volume analysis and molecular dynamics simulations, the deformation mechanism, change in free volume and fracture mode of BMGs under triaxial stress state will be further discussed which will help us to understand the nature of ductility in metallic glasses. This study will represent a quantum leap in our understanding on the fundamentals of the deformation and fracture mechanism of metallic glasses, and designing high-performance alloys for engineering application of metallic glasses.

剪切软化一直被视为非晶合金的本征变形特征，这直接导致非晶合金的室温脆性，极大地影响了其应用前景。因此，如何抑制剪切软化，改善合金的室温变形能力成为非晶领域重要的研究方向。本项目将通过引入三维拉应力抑制剪切带的产生和扩展，系统研究不同应力状态对非晶合金变形和断裂行为的影响，揭示非晶合金全新的变形行为及断裂机理。并结合自由体积模型和分子动力学模拟，深入探索非晶合金在三维拉应力状态下的变形机制、自由体积变化规律和断裂机理，揭示其室温韧性产生的本质。通过本项目的研究，将为高性能块体非晶合金的结构设计提供理论依据，这对于拓展其应用前景具有重要意义。

本项目通过在块体非晶合金中制备环形缺口，引入三维应力状态，研究其在剪切带被抑制条件下的变形和断裂行为。通过本项目的研究，获得以下有意义结果：1）对缺口部分的应力分析表明：随着应力状态系数增加，缺口部分剪切应力减小，平均应力增加，从而可有效抑制剪切变形。2）非晶合金在三维拉应力下表现出为加工硬化而非传统的形变软化。分子动力学模拟结果进一步表明在拉伸过程中伴随着自由体积的下降和结构的有序化。3）通过对不同缺口尺寸的Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10非晶合金拉伸变形行为研究发现，随着缺口尺寸(缺口宽高比d/h)的增大，非晶合金的强度会逐渐增加，由1.6 GPa增加到2.9 GPa。同时断裂行为也由脆性断裂向韧性断裂的转变，断口形貌由脉纹状花纹转变为杯锥形貌和韧窝。通过decohesion模型分析发现其发生韧性断裂的decohesion stress为1.75GPa，远高于一般的晶体材料。3）非晶合金在三维应力状态下表现出反缺口效应。其断裂强度高达~3GPa，拉伸塑性>10%。分子动力学模拟表明这一现象归于断裂行为由剪切导致脆性断裂断裂向微孔洞形核、长大主导韧性断裂转变。4）非晶合金在三维应力条件下表现出拉压不对称性。拉伸时变形时表现为加工硬化，伴随着自由体积的减小和硬度的上升。而压缩时表现为形变软化，伴随着自由体积的增加和硬度的降低。此外，非晶合金在三维压应力状态下发生剧烈的回春和软化。当塑性变形为40%时，非晶合金的硬度下降高达36%，弛豫焓高达3.42 kJ/mol。变形使非晶合金发生剧烈回春，使其具有极高的能量状态，等效于冷速为1010 K/s非晶合金。