块体非晶合金纳米压痕行为的表征及分析

摘要

非晶合金因其优异的物理、化学和力学性能,自从1960年被制备以来就引起了研究者的广泛兴趣。然而,该材料在室温下,断裂前缺乏显著的塑性变形限制了它的发展和应用。因此,研究非晶合金的塑性变形机理和寻找提高塑性变形的途径成为了非晶合金领域的研究热点和难点。本文选用Pd40Cu30Ni10P20、Zr48Cu32Ni4Al8Ag8、Zr48Cu34Pd2Al8Ag8和[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4三种体系四个成分的块体非晶合金作为对象,利用深度敏感纳米压痕实验和原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)纳米压痕实验研究了块体非晶合金的塑性变形和蠕变变形行为及其机理。主要实验结果和结论如下:
　　1.Pd40Cu30Ni10P20和Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金在纳米压痕过程中表现出了锯齿流变(pop-in)现象,且该现象具有速率相关性。通过分析AFM形貌图及其截面和单个pop-in事件,认为pop-in事件与剪切带存在一定的关系,但不是每个剪切带的开动对应一个pop-in事件,而是每个剪切带对应多个pop-in事件。
　　2.从载荷-位移(P-h)曲线中提取单个pop-in事件数据,发现pop-in事件包含加速、稳态和减速三个阶段,且计算出剪切带的滑移速度。基于剪切带的粘度值和三阶段特性,提出了一个流变模型,该模型能很好的拟合单个pop-in实验数据,并较好的解释了锯齿流变现象。
　　3.根据自由体积理论,推导出流动缺陷浓度与压痕速率的表达式和流动缺陷浓度与压痕深度的关系式,分别预测了压痕速率相关性和压痕尺寸效应。
　　4.在纳米压痕实验中,Pd40Cu30Ni10P20、Zr48Cu32Ni4Al8Ag8、Zr48Cu34Pd2Al8Ag8和[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4块体非晶合金都表现出室温蠕变现象,且蠕变变形随压痕载荷和加载速率的增加而增大,保载10s以后基本达到稳定。保载阶段的蠕变可以分为两个阶段:在初始阶段,蠕变变形的速率很大,变形呈指数上升;随后进入稳态过程,蠕变变形随时间变化很小。利用EVEV(elastic-viscoelastic-viscous)模型进行模拟,模型和实验数据吻合的相当好,并根据此模型获得了蠕变速率、蠕变应力指数、蠕变柔量和延迟谱。
　　5.基于自由体积理论,通过纳米压痕蠕变实验计算出了剪切转变区(STZ)的活化体积。
　　6.利用AFM纳米压痕实验研究了Pd40Cu30Ni10P20、Zr48Cu32Ni4Al8Ag8和Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金剪切带区域、带间区域和非变形区域的变形行为,获得其载荷-位移曲线及其硬度值。

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第 1 章 绪论

1.1 非晶合金的发展历史

1.2 块体非晶合金的变形行为

1.3 块体非晶合金的断裂行为

1.4 本文的主要内容和意义

第 2 章 实验方法与原理

2.1 深度敏感纳米压痕实验方法与原理

2.2 原子力显微镜纳米压痕实验方法与原理

第 3 章 块体非晶合金纳米压痕变形行为

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 锯齿流动及其速率相关性

3.4 压痕尺寸效应

3.5 本章小结

第 4 章 块体非晶合金纳米压痕蠕变行为

4.1 引言

4.2 理论模型：elastic-viscoelastic-viscous(EVEV)模型

4.3 载荷、速率和保载时间对蠕变的影响

4.4 剪切转变区(STZ)活化体积

4.5 本章小结

第 5 章 块体非晶合金原子力显微镜纳米压痕变形行为

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

附录(攻读硕士学位期间发表的学术论文)