影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制.pdf

《影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、固体力学学报第33卷第1期Vo1．33N0．12012年2月CHINESEJOURNALOFSOLIDMECHANICSFebruary2012影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制刘龙飞胡静蔡志鹏李会强郭世柏张光业(湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南科技大学机电工程学院，湘潭，411201)摘要论文对金属玻璃发生剪切失稳形成剪切带的行为进行了分析，得到了其发生剪切失稳时的临界自由体积浓度，预测结果与实验观察和模拟结果吻合；利用两种方法对其剪切带厚度进行了预测，结果表明基于剪切失稳临界波长预测金属玻璃剪切带厚度的

2、方法只在发生剪切失稳后极短的时间内有效，对成熟剪切带厚度的预测必须考虑自由体积的扩散效应；考察了金属玻璃的宏微观材料参数对其剪切带厚度的影响及其微观机制，发现金属玻璃剪切带厚度对其宏观材料参数(泊松比)不敏感，对与剪切相变区相关的微结构参数敏感．关键词金属玻璃，剪切带，自由体积，失稳0引言观察的剪切带发展阶段有关，从位于形核阶段的剪金属玻璃(也称非晶态金属)由于具有一系列独切带到裂纹前端的剪切带，其测量值[13-18]从小于特的物理、力学和化学性能，被认为是具有广阔应用1．0到大于11．0不等．因此，金属玻璃材料发生前景的新

3、型材料之一_1]．但是其在低温(如室温)高剪切失稳形成剪切带的临界自由体积浓度究竟如应力下的塑性变形极易发生变形局部化，形成剪切何，其剪切带厚度能否像晶态金属材料中的剪切带带，进而在拉伸或简单剪切载荷下发生灾难性的破一样进行预测，以及影响其厚度的微观机理又是什坏，使金属玻璃应用可靠性变得难以预测，成为了制么，都还不清楚．本文从金属玻璃剪切带形成的材料约大块金属玻璃作为结构材料推广应用的最大瓶颈微观结构信息出发，利用简单解析解和临界波长法之一l2j．因此，关于金属玻璃剪切带行为的研究不仅对这些问题进行了初步的分析和探索．具有重

4、要的科学意义，同时可为探索具有合适拉伸1模型和结果讨论延性的金属玻璃材料提供有价值的参考，从而引起已有的研究表明，金属玻璃的塑性流动主要由了广大科学工作者研究的极大兴趣]．已有的研究单个原子的跳跃或局部原子团的协同重排来进行，表明，金属玻璃中形成的剪切带厚度在20纳米左这些原子或原子团一般称为“流动缺陷”(flowde—右，比传统金属材料中的剪切带厚度(10—500微米)fect)l】或“剪切相变区”(sheartransformationzone小得多．剪切带厚度的巨大差异表明，金属玻璃中剪(STZ))_】．进而，最近的研

5、究表明，剪切相变区的切带的形成机制很难用传统金属材料中由塑性功转尺寸大约为1—2纳米_1，粒子材料中剪切带厚度变成热的热软化机制来解释]，而可能与金属玻璃为粒子尺寸10倍的规则在金属玻璃中似乎可以独特的原子结构或结构缺陷(自由体积浓度)有得到满足，预示它们之间可能具有类似的失稳机理．关l3．最近，Joshi和Ramesh_l基于晶粒旋在金属玻璃中，一个具有体积为Q的剪切相变区转导致纳米晶体材料失稳的剪切失稳模型，预测当在一定的剪切应变率和剪切应力r作用下产生一个材料的晶粒尺寸接近金属玻璃中原子团的尺寸极限大小为y的剪切应变主

6、要依赖于r的大小．如果剪(～2纳米)时，其剪切带厚度值在10—5O纳米之间．切相变区的浓度为C，则在剪切载荷作用下的塑性该模型虽然可以预测金属玻璃中剪切带厚度的变应变率可写为的[2“]：化，但是缺乏必要的材料物理图像．其次，高分辨透一2csssinh()(1)射电子显微镜实验观察ll。]和分子动力学模拟[1]结果表明，金属玻璃剪切带中的自由体积浓度与所其中y是塑性剪切应变，C为材料单位体积中可以*国家自然科学基金(50801026)和湖南省教育厅项目(09B030)资助2010-12-01收到第1稿，2O1]0613收到修改

7、稿．**通讯作者．Tel：13387328508，Email：lfliul@hnust．cn．·70·固体力学学报2012年第33卷进行剪切相变的比例因子，与自由体积浓度相关化．在金属玻璃中，现有的研究表明其剪切带的形成(cs—exp(一1／))，忌s是温度依赖的率常数，忌是主要由其自由体积浓度控制，并且自由体积浓度的波尔兹曼常数，T是绝对温度，y是剪切相变区发增加和扩散是一对相反的过程，其竞争结果决定了生一次剪切相变时产生的局部特征应变，Q是剪切金属玻璃中剪切带的形成．因此，基于公式(9)和金相变区的体积，Q是金属玻璃材料

8、中的平均原子体属玻璃中剪切带形成的本质，关于由自由体积产生积．在剪切载荷作用下单位体积金属玻璃中自由体控制形成的金属玻璃剪切带厚度的表达式为：积的应力产生和扩散湮灭可用自由体积浓度表厂——一D(10)示为_3,253：其中*表示带内的值．公式(10)表示自由体积浓度D}+G)(2)的扩散率