激光喷丸对非晶合金室温塑性的影响机制与室温塑性成形

非晶合金是当今最具应用潜力的金属基新材料，而室温低塑性是限制其工程应用的关键瓶颈。本课题基于变形区尺度、剪切带密度以及应力状态等因素与塑性性能的相关性，提出通过激光喷丸处理，利用爆炸等离子体产生的高压冲击波，进行局域化、自约束、高应变率累积变形，生成致密剪切带和深的压应力层，来提高非晶合金室温塑性，并进行塑性成形的新思路。采用铁基非晶合金板材，以单点单脉冲激光喷丸所致的结构性能演化为切入点，实验检测结合数值模拟，建立多点多脉冲激光喷丸后剪切带形态与分布、残余应力、塑性应变、微观缺陷、显微硬度等因素，与宏观室温塑性的关联性,从力学和材料学角度，评价压应力强化、应变软化等效应的竞争作用；研究非晶合金激光喷丸所致的塑性变形规律，并在室温下实现非晶合金板材的高应变率塑性大变形。以期揭示激光喷丸对非晶合金室温塑性的影响机制，为提高非晶合金室温塑性提供新途径，并形成提高塑性与塑性成形一体化理论与技术。

非晶合金是当今最具应用潜力的金属基新材料，然而其独特的均质无定形结构，致使其宏观室温塑性非常有限，并且成为限制其工程应用的关键瓶颈。本课题基于变形区尺度、剪切带密度以及应力状态等因素与塑性性能的相关性，提出并实现了通过纳秒激光喷丸，进行局域化、自约束、高应变率累积变形，生成致密剪切带和深的压应力层，来提高非晶合金室温塑性，并进行塑性成形的新思路。.采用铁基非晶合金板材和锆基非晶合金块体，通过实验研究并结合基于自由体积理论的动力显式有限元模拟，研究了多工艺条件激光喷丸后的力学性能、材料结构、表面形貌，建立了剪切带形态与分布、自由体积、残余应力、显微硬度等因素，与宏观室温塑性的关联性，从力学和材料学角度，评价了压应力强化、应变软化的竞争效应。研究了非晶合金激光喷丸所致的塑性变形规律及其破坏机制，并在室温下实现了非晶合金板材的超高应变率塑性大变形。.材料性能研究表明，激光喷丸后的梁状和柱状锆基非晶合金，三点弯曲时的塑性挠度和单向压缩时的极限变形量，较之未喷丸试样均有明显提高，证明合理的激光喷丸工艺能够显著提高非晶合金的室温塑性；应力应变曲线及喷丸区域的三维轮廓和微观硬度表明，残余压应力可以造成材料强化，但有时不足以抵消塑性应变引起的软化；表面周期性波纹特征及AFM、XRD、TEM结果表明，无能量吸收层时表面热效应显著，能够引起材料超塑性流动，并可能产生结构晶化；DSC及热分析表明，激光喷丸后非晶合金试样中的自由体积增加，较之未喷丸试样具有更高的晶化温度和热稳定性; SEM分析表明，激光喷丸利于生成高密度多重剪切带，在后续弯曲和压缩实验中的断口形貌如韧窝和脉状花纹，也从结构特征上证实激光喷丸增强了非晶合金试样的室温塑性；激光喷丸能够引起光斑周围的局部塑性变形，多点喷丸可使梁状非晶合金产生宏观拱曲，使板材产生塑性简单弯曲及复合弯曲变形，变形形状和变形量与喷丸工艺密切相关；不合理的喷丸工艺将产生剪切断裂和拉伸开裂等多种破坏模式，并在断面呈现熔融液滴和熔化带等特征。.本课题揭示了激光喷丸对非晶合金室温塑性影响的力学机制在于表层微量塑性变形引起的残余压应力，而材料学机制则体现在爆炸等离子体的高速冲击引起的自由体积变化以及与之关联的高密度剪切带。残余压应力强化与伴随自由体积增加的应变软化的竞争具有明显的尺寸效应。本研究为提高非晶合金室温塑性以及非晶合金的室温塑性成形提供了新途径。