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本文中选取具有较强非晶形成能力和较高热稳定性的Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5(Vit4)非晶合金作为研究对象。利用深度敏感的纳米压痕、深度敏感的显微压痕等微尺度力学性能测试手段,并结合宏观压缩性能测试,系统研究了结构弛豫和晶化对非晶合金变形行为的影响。
在低于玻璃转变点的温度(573K)进行不同时间的等温退火,非晶内部的自由体积随保温时间延长不断湮灭。计算结果表明,在此温度弛豫至24小时,样品中的自由体积浓度降低约3个数量级。在高于玻璃转变点(683K)的等温退火,合金中有晶化相析出,结晶相体积分数随保温时间延长而增大。
压缩力学实验及断口形貌分析表明,经弛豫后样品压缩断裂强度有所提高,但塑性变形能力减弱。对变形过程中自由体积和剪应力的计算表明,弛豫使单个剪切带形核所需要的临界应变随弛豫时间延长而增大,参与塑性变形的剪切带数量减少,使材料的塑性应变降低,在应力-应变曲线上表现为锯齿流动随弛豫程度的增加而加强。合金发生晶化以后,非晶合金的塑性变形随着析出晶化相体积分数的增大而减小。在含有小体积分数结晶相合金中(<15.18%),其压缩断裂强度有所提高。由于残余非晶相的弛豫,使部分晶化样品应力-应变曲线中的锯齿流动现象加剧。当结晶相体积分数超过21.58%后,在非晶/晶体相界面,由于晶体相和非晶相在弹性模量上的差异,使该区域存在较大的应力集中,容易诱发初始裂纹,裂纹的过早萌生和扩展使非晶过早的发生断裂,塑性变形能力下降。
纳米压痕实验结果表明,铸态非晶合金的纳米压入过程观测到明显的锯齿流变特征。锯齿流变行为与非晶微结构变化关系密切,结构弛豫减弱了锯齿流变特征,而随着晶化程度的增加,锯齿流变特征也不断减弱直至消失。宏观压痕实验表明,在压痕测试条件下,弛豫和部分晶化导致压痕周围剪切带数量减少,宽度增加。但在纳米压痕曲线上表现为逐渐连续的塑性变形。这是由于在强应力束缚条件下,弛豫样品中的单一剪切带进行多步不连续扩展,而晶化样品中,晶化相抑制了剪切带向样品自由面扩展所致。