非晶合金“扩展型”剪切带的表征及演变机制研究

剪切带是块体非晶合金发生塑性变形的重要宏观表现形式，剪切带的数量及密度决定了块体非晶合金塑性变形的大小，块体非晶合金成分和结构的细微变化将可能导致其变形行为的显著改变。由于非晶合金的结构是在长程无序中存在有短程序或中程序，因此同晶态合金一样存在由成分决定结构，结构又决定性能的内在联系，而且其变形性能的改变主要体现在剪切带的特征上，因此如何表征非晶合金结构的改变及其与剪切带特征的关系，将有助于我们更好地了解非晶合金结构对其变形行为的影响。本项目主要通过非晶合金粘度变化率来体现其结构的变化，并研究具有不同粘度变化率的非晶合金内部"扩展型"剪切带的特征；研究温度、变形速率、试样尺寸以及加载方式的改变对"扩展型"剪切带特征的影响；分析"扩展型"剪切带特征在变形过程中的演变机制。这些研究有助于我们更好地认识非晶合金微结构与剪切带的关系，加深对非晶合金变形机理的理解。

本课题按照项目计划书的研究内容和研究目标，开展了大量的研究工作，基本完成了计划书的研究目标。我们以Pd基块体非晶合金为研究对象，研究了相同试验条件下，“扩展型”剪切带与成分间的相关性；研究了温度、变形速率、加载方式、试样尺寸对“扩展型”剪切带的影响；研究了“扩展型”剪切带随变形程度的变化，分析了其演变过程。研究表明，Pd基非晶合金内部剪切带的多少与其塑形是相对应的，Pd79Cu6Si10P5、Pd79Cu3Ag3Si10P5和Pd79Cu4Au2Si10P5非晶合金压缩塑形变形量分别为3.5%、9%和13%，前者内部剪切带较少，中间次之，后者最多。SEM研究发现这三种合金内部“扩展型”剪切带的厚度为1～7μm，其厚度、分叉结构等特征与合金成分无明显关系。根据“扩展型” 剪切带的结构特征，将剪切带分为三类：早期、发展中和发展完全的剪切带。研究发现，467 K时Pd79Cu4Au2Si10P5非晶合金内部没有剪切带，随着温度逐渐降低到293 K、173 K和123 K，剪切带逐渐增多，并且主剪切带内的分叉结构逐渐增多、分布越来越均匀。随着应变速率从2.1×10-4s-1逐渐增加到4.1×10-3s-1，试样内部“扩展型”剪切带的数量逐渐减少到最少，剪切带内部特征随应变速率变化无显著变化。轧制变形后试样内部存在厚度更大的剪切带，变形10%后剪切带厚度约50μm；变形20%后两剪切带中间变形也很严重，难以分辨出单个剪切带。试样直径为1 mm和2 mm试样内部分布着大量的一次剪切带，次生剪切带的数量相对较少，而3 mm试样一次剪切带较少，但存在大量错综复杂的次生剪切带；随着试样直径的增加，这两种剪切带的厚度都增厚。变形为0.7%的试样内部开始出现少量一次剪切带和二次剪切带；随着试样变形量逐渐增加到6.7%，剪切带和剪切带内分叉结构的数量以及主剪切带厚度都逐渐增加，并且剪切带与基体的边界逐渐变得光滑清晰。分析得出，非晶合金在变形过程中首先产生一次剪切带和少量二次剪切带，剪切带扩展过程中铲带沿途物质使其厚度不断增厚，其中的某条一次剪切带发展成主剪切带；随着变形的进行，开始产生大量的二次剪切带，并且剪切带内部的变形越来越严重；变形越大，剪切带扩展的阻力就会越大，当外力超过主剪切带内力时，试样发生断裂。