塊體非晶合金中的韌脆轉變現象與機理研究

《塊體非晶合金中的韌脆轉變現象與機理研究》是依託西安交通大學，由江峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：塊體非晶合金中的韌脆轉變現象與機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：江峰
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

塊體非晶合金具有高強度和較好斷裂韌性的特點使其具備作為高性能金屬結構材料的可能，然而與溫度有關的韌脆轉變現象的存在嚴重限制其套用前景。申請人擬在前期研究塊體非晶合金中韌脆轉變現象的基礎上，選擇三種不同原子團簇類型的Pd、Zr和Fe基塊體非晶合金作為模型材料，系統研究環境溫度、自由體積含量等因素對其韌脆轉變的影響，揭示塊體非晶合金中與溫度有關的韌脆轉變現象的普遍性；通過系統研究溫度、自由體積含量和載入應變速率單獨\耦合\共同作用對塊體非晶合金韌脆轉變的影響，建立這些因素與韌脆轉變特徵量（如剪下轉變區（STZ）激活能、體積等）的理論聯繫；採用實驗和分子動力學模擬相結合的方法驗證上述理論聯繫的準確性，描述韌脆轉變時的物理圖像以明確塊體非晶合金中發生韌脆轉變的內在機理。該工作對於理解塊體非晶合金的韌性和脆性及其相互轉變，保障其服役可靠性具有重要意義。

結題摘要

塊體非晶合金具有高強度和較好斷裂韌性的特點使其具備作為高性能金屬結構材料的可能，然而與溫度有關的韌脆轉變現象的存在嚴重限制其套用前景,尤其是對於韌脆轉變的物理機制等尚缺乏深入了解。項目組以韌性Zr基塊體非晶合金為模型材料，系統研究了環境溫度、自由體積含量、應變速率等因素對其韌脆轉變的影響。結果表明：通過改變自由體積、降低溫度、提高應變速率都可以導致非晶合金斷裂模式由延性的剪下斷裂改變為脆性的正斷模式，斷裂表面微觀特徵由由微米尺度的Vein pattern 模式改變為納米尺度的dimple或者納米周期性條紋，同時斷裂韌性嚴重降低。提出斷裂模式的改變源於臨界正應力和剪下應力的競爭，而斷裂表面特徵的變化與延性的剪下帶形成和脆性開裂的競爭過程有關。在耦合剪下模型的框架中基於剪下轉變區和拉伸轉變區競爭，第一次把影響非晶合金韌脆斷裂的三個主要因素自由體積、環境溫度和應變速率統一起來，建立了Zr基塊體非晶合金的變形機製圖，並把該概念延伸到Mg基、Fe基脆性金屬玻璃中，該工作能夠幫助更好地理解非晶合金的韌脆轉變行為。 通過納米壓痕測試和透射電子顯微鏡下的原位壓縮和拉伸、三點彎曲等試驗，研究了微、納米尺度下Zr基非晶、Fe-Sc納米玻璃等強度、斷裂韌性、塑性變形機制等。結果發現直徑400納米的Sc75Fe25 納米玻璃樣品表現出15％的拉伸塑性應變，這種均勻的塑性變形能力是類似尺寸的非晶合金中前所未有的，該塑性變形能力可以歸因於它獨特的微結構；對Zr基非晶合金微尺度時原位拉伸研究表明不同自由體積狀態下非晶試樣的屈服強度和變形行為表現出一定規律，越少自由體積含量的試樣，屈服強度越高，表現出更明顯的脆性，同時加工過程中損傷的試樣表現出明顯差異的變形行為；原位斷裂韌性測試研究表明隨試樣尺寸減小非晶合金的斷裂韌性提高，這種強烈的尺寸效應是由於尺寸的減小導致剪下帶形核困難、變形機制發生轉變所引起的。以上工作對於理解非晶合金在微尺度時的力學行為、變形機制有重要作用，也能為其在微電子機械中的套用提供指導。 項目組已經在Applied Physics Letters、Scripta Materialia、Materials Science and Engineering A等國際學術期刊上發表論文9篇，有多篇在準備發表，培養碩士生、博士生多名，研究結果受到了同行的引用和關注。