形变诱发相变非晶复合材料受控剪切带萌生和扩展的研究

Nucleation and propagation of shear band are multiscale problems controlled by many different physical mechanisms. The interaction of shear band and deformation-induced phase transformation behaviors supplies a new opportunity to control the nucleation and development of shear bands. In this project, the influences of the deformation-induced phase transformation on the nucleation and propagation of the shear bands during different deformation stage are systematically studied. And the effect of treatment process on the microstructure evolution and kinetics of the phase transformation are discussed in detail. The project will benefit to establish the method to improve the mechanical properties and repeatability of the amorphous alloy composites, reveal the mechanism of controlled nucleation and propagation of shear bands, and provide a theoretical basis for the design and optimization of high-performance amorphous alloy composites.

剪切带作为非晶合金及其复合材料变形的基本结构单元，其萌生和扩展是由多个不同物理机制控制的跨尺度问题。而非晶复合材料变形过程中的形变诱发相变行为与剪切带的耦合作用为控制剪切带萌生和扩展，提高材料机械性能及其可重复性提供了崭新的契机。本项目通过深入研究内生TiZr基非晶复合材料变形过程中形变诱发相变行为在变形不同阶段对系统内部应力/应变分布及剪切带萌生和扩展的影响，揭示形变诱发相变组织形态和动力学特征与剪切带形成和扩展的关联性。并进一步通过系统研究工艺对非晶复合材料性能和结构演变的影响规律，明确形变诱发相变组织形态和动力学特征的控制因素，探索通过调控形变诱发相变行为控制剪切带萌生和扩展，最终达到改善非晶复合材料性能及其可重复性的新方法和思路，揭示形变诱发相变非晶复合材料剪切带受控萌生和扩展的深层机理，为实现非晶复合材料性能优化和实际应用提供理论依据。

本项目以变形过程中存在形变诱发相变行为的TiZr 基非晶复合材料作为研究对象，通过合金化、改变制备中的冷却速度、调整热处理工艺以及实施预变形处理，系统研究了诸因素对非晶复合材料性能和结构演变的影响规律，明确了形变诱发相变组织形态和动力学特征的控制因素，揭示了相变所引起的局域应力/应变分布与剪切带形成和扩展的关系，建立了通过调控形变诱发相变行为控制剪切带萌生和扩展新方法和思路。获得的主要结论如下：.金属元素Nb和非金属元素O的添加均提高非晶复合材料的塑性变形能力及其可重复性。这是因为，当Nb/O含量低时，变形诱发相变行为受到抑制，但生成均匀分布且板条细小的马氏体相；当Nb/O含量较高时，变形诱发相变行为被严重抑制。但随Nb含量增加，枝晶相变软，大量位错形成并累积成变形台阶；而O含量较高时，形成了弥散分布的纳米ω相，削弱了枝晶的各向异性，促进其均匀变形。均匀的马氏体相变和大量的变形台阶为剪切带提供优先形核位置，有利于多重剪切带的形成，阻碍剪切带的非受控扩展，提高了材料的塑性和可重复性。.通过调节凝固过程中的冷却速度在非晶复合材料中预制了纳米尺寸的贫Zr团簇结构。贫Zr团簇结构作为形变诱发相变的形核位置降低了相转变中的晶格错配，导致相变的临界应力降低，相变转变速率提高，有利于大量剪切带的萌生和交互作用，从而使非晶复合材料塑性变形能力得到改善。.适当的弹性预加载处理可以显著提高非晶复合材料的力学性能及其可重复性。在稍高于相变临界应力下进行单次预变形处理或在低于相变临界应力下进行多次预变形处理，复合材料塑性变形量的可重复性最高可以提高74%。这是因为适当的弹性阶段预加载处理可以有效平衡马氏体相变量和马氏体变体数量这两个矛盾因素，从而在非晶复合材料内部提供数量多、分布均匀的马氏体核。在最终变形过程中，马氏体核的存在可以减少马氏体相变和剪切带萌生的随机性，从而提高非晶复合材料力学性能的可重复性。