基于残余应力和缺陷控制的非晶合金塑性提高及机理研究

Bulk metallic glass (BMG) exhibits highly localized shear fracture mode, which restricts the engineering applications of BMG severely. Based on the understanding that residual compressive stress could stabilize the propagating process of shear band and surface defect could induce shear band nucleation effectively, combined that laser shock peening (LSP) could generate deep residual compressive stress with relatively low cold hardening, LSP is employed to introduce deep residual compressive stress and minor surface defect in BMG for improving the plasticity of BMG. Based on the fact that ultra-high pulse pressure of LSP could induce relatively thick deformed BMG layer, micro-structural evolution and relaxation of BMG under shock wave will be studied, revealing the change of body-orientational ordering and free volume, clarifying the effect of micro-structural changes on thermal stability of BMG, obtaining the semi-quantitative description of residual stress distribution in BMG. Based on the research referred above, combined finite element simulation, the effect of combined action of residual stress and surface defect on mechanical properties and fracture mode of BMG will be investigated in detail, revealing the mechanism of improved plasticity of BMG by surface modification, optimizing the process parameters of LSP by full factorial design, improving the plasticity of BMG greatly, and laying the foundation for the applications of BMG parts.

非晶合金高度局域化的剪切断裂模式严重制约了该材料的工程应用。基于残余压应力能够有效稳定剪切带扩展过程和表面缺陷有利于诱发剪切带形核的认识，结合激光喷丸可以通过较小程度的冷作植入深度残余压应力的特点，本项目拟采用激光喷丸对非晶合金进行表面改性，通过引入深度残余压应力和较小尺度表面缺陷的方式提高非晶合金塑性。针对激光喷丸超高的脉冲压力可以诱发形成较厚非晶合金形变层的特点，开展冲击波加载下非晶合金的微结构演化和结构弛豫研究，揭示非晶合金基于键向有序和自由体积变化的微结构演化过程，阐明微结构改变对其热稳定性的影响，突破非晶合金残余应力分布的半定量描述。在此基础上，结合有限元模拟，研究残余应力和表面缺陷共同作用对非晶合金力学性能和损伤断裂模式的影响，揭示表面改性提高非晶合金塑性的机理。综合以上研究，采用全析因试验法，优化激光喷丸工艺参数，实现非晶合金塑性的极大提高，为非晶合金零部件的应用奠定基础。

非晶合金高度局域化的剪切断裂模式严重制约了其在工程领域的应用。基于残余应力能够有效稳定剪切带扩展以及表面缺陷促进非晶合金均匀变形的认识，项目组利用激光喷丸工艺在非晶合金内部成功引入深度残余应力和大量的小尺度缺陷。系统研究了激光喷丸对非晶合金微结构演化和热稳定性的影响，突破了非晶合金残余应力和微观缺陷分布特征的准确描述，揭示了残余应力和微观缺陷提高非晶合金塑性的作用机理，优化了激光喷丸工艺参数，实现了非晶合金塑性的有效提升。.主要研究成果如下：.利用激光喷丸工艺成功对非晶合金进行了表面改性处理，引入了深度残余应力和大量的小尺寸缺陷，同时改性区域仍保持单一的非晶相结构。大量的小尺寸缺陷导致非晶合金内部出现明显软化。原子结构演化分析表明，与普通塑性变形仅影响非晶合金中程序不同，激光喷丸对短程序和中程序均引入了过饱和自由体积，促进了原子结构的均匀化，并降低了合金的热稳定性。.对非晶合金的激光喷丸影响区进行微观力学分析，发现激光喷丸引入的大量的微观缺陷和自由体积极大促进了塑性变形的均匀性，在变形中不易萌生新剪切带。通过分析变形过程中的锯齿流变现象，准确描述了激光喷丸引入的微观缺陷的分布特征：激光冲击引入的剪切带集中分布在冲击表面至深度300微米处，而引入的自由体积则分布在表面至深度500微米处。.突破了非晶合金表面和内部残余应力的定量表征，发现表面应力为各向同性，而内部应力呈明显的各向异性，激光冲击方向压应力明显小于垂直方向。获得了原子结构的短程序和中程序的二维残余应力分布图。分别从原子尺度和宏观尺度阐明了残余应力和大量微观缺陷对剪切带萌生及扩展的影响规律，揭示了塑性提升机理。实现了激光喷丸对非晶合金塑性的极大提升，优化了激光喷丸的工艺参数。.首次发现激光喷丸会导致非晶合金短程序和中程序出现可逆的双步弹性应变现象。原子结构演化分析表明，激光喷丸引入的过量自由体积产生了大量的流变单元，并在压缩变形过程中受到压应力而逐渐转化为弹性能，导致了原子结构弹性模量的改变，而在卸载过程中弹性能得到释放重新转化为自由体积。