非晶合金变形模式转变尺寸效应的纳米压入实验研究

In order to break the critical “bottlenecks” (limited size and brittleness) which hinder the development of amorphous alloys, the size effect of mechanical properties has attracted numerous attentions. This proposed project is aimed to study the volume of flow unit (shear transformation zone, STZ) in amorphous alloys, and its variation trend. It helps understanding the distinction as well as revealing the influence factors on the critical size of deformation mode transition. The application fields of the STZ model could also be widened. Strain rate sensitivity and cumulative distribution of the yield stress are the two independent parameters of the theoretical model to estimate STZ volume. Nanoindentation is a micro-scale technology, which has high testing resolution. The sample it requires is small-sized and easy-prepared. Nanoindentation is the most suitable instrument for determining micro-plastic parameters of amorphous alloys. The main research contents include three parts: (i) study the STZ volumes of various compositions and their correlation with properties such as Poisson’s ratio and elastic modulus. (ii) study the effects of temperature and strain rate on the STZ volume. (iii) study the effects of structure relaxation and stress state on the STZ volume. The achievement of this project would connect the micro-plastic deformation of amorphous alloys with STZ volume, and provide new insight into understanding the phenomenon of deformation mode transition.

为突破非晶合金发展的关键“瓶颈”(尺寸有限，塑性不足)，力学性能的尺寸效应成为研究焦点。本申请项目旨在，针对变形模式转变(局域剪切到均匀流变)的尺寸效应，研究非晶合金流变单元(剪切转变区，以下简称STZ)体积及其变化规律，以理解变形模式转变的临界尺寸差异及其影响因素，拓展STZ模型在微/纳米塑性力学的应用。测定STZ体积，关键在于确定其模型中的力学参量：应变速率敏感系数，或屈服强度的累积分布规律。纳米压入是一种微区测量技术，所需试样尺寸小、制样简单、测试分辨力高，是最适合识别非晶合金微尺度塑性参数的测试手段。主要内容包括：研究不同成分非晶合金的STZ体积大小，及其与性能(如泊松比、弹性模量)的关联；研究测试温度和应变速率对STZ体积大小的作用；研究结构弛豫和应力状态对STZ体积大小的作用。本申请项目的完成，将建立STZ体积与非晶合金微/纳米塑性变形的关系，为理解变形模式转变现象提供新思路。

非晶合金，具有大弹性、耐磨损和高强度等优异的力学性能，但缺乏塑性限制了这类新材料在工程领域的应用。近年来，随着微纳米加工与检测技术的发展，发现非晶合金的断裂强度和塑性变形随着样品尺寸的降低而显著增加。非晶合金塑性特征—剪切带的尺寸、数量也随着样品尺寸的减小而降低，甚至消失。这表明对于无序结构的非晶合金，仅改变其物理尺寸也会引发力学性能和塑性行为的改变。剪切转变区(shear transformation zone, STZ)模型，是基于晶体流变的“流动缺陷”理论所提出的，也是目前解释非晶合金塑性变形最成功的塑性机制。非晶合金的剪切变形中，STZ激活并演化形成剪切带的过程，与其体积大小密切相关。因此，STZ体积的测定，是研究非晶合金塑性行为尺寸效应的关键。近年来，随着纳米压入测试技术的发展，实验能够确定该模型中的关键力学参数。这有利于STZ模型的完善，理论模拟的验证和塑性行为的解释。本项目针对非晶合金变形模式的尺寸效应，以纳米压入仪为工具，测定STZ体积及其变化规律和影响因素，从变形机制角度解释非晶合金塑性变形的尺寸效应。.本项目的主要研究内容包括，(1)不同成分非晶合金薄膜的STZ体积变化规律，及其与本征力学参量的关系；(2)STZ体积与样品结构状态、尺寸的关系；(3)非晶合金薄膜纳米压入蠕变行为及其与STZ体积的关系；(4)残余应力对非晶合金力学性能和STZ体积的影响；(5)结构驰豫、测试条件对非晶合金纳米压入硬度和STZ体积的影响。研究发现，非晶合金剪切转变区体积在0.3nm3~1.2nm3之间，随着泊松比的降低而增加；非晶合金薄膜抗蠕变性能随着玻璃态转变温度的增加而增强，STZ体积越小，蠕变流动越快。.本项目通过纳米压入实验方法，系统性地研究了非晶合金薄膜的塑性变形单元—剪切转变区，得到了塑性单元体积及其变化规律，以及剪切转变区体积对蠕变、变形模式尺寸效应的影响。本项目的顺利实施，丰富和拓展了纳米压入技术在金属材料领域的应用，加深了对于非晶态合金塑性机制的理解，为非晶合金塑性变形尺寸研究提供新思路。