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亚微米尺度金属玻璃的拉伸塑性


□ 郭 华 隋曼龄

  摘要 文章介绍了在透射电镜中原位拉伸亚微米尺度单相锆基金属玻璃的实验设计和研究进展,研究表明,金属玻璃呈现明显的样品尺寸效应,微观尺度样品不仅表现出稳定可控的形变行为,而且具有良好的拉伸塑性,小尺寸金属玻璃具有良好拉伸塑性的发现,不仅有助于深入理解金属玻璃室温形变的本质,也揭示了金属玻璃在薄膜和微器件中的潜在应用价值。
  关键词 金属玻璃,尺寸效应,拉伸塑性,原位拉伸
  
  从拓扑结构上看,大自然中的固体物质可分为晶态(crystalline)和非晶态(amorphous)两种,在晶体中,原子的平衡位置形成一种平移的周期阵列,即原子排列显示出长程有序的结构;而在非晶体中,原子的排列则相对混乱,缺乏周期性,只在几个原子的范围内有一定的有序度,所以一般认为非晶态结构为长程无序而短程有序的结构,非金属的非晶态材料广泛存在于自然界和现实生活中,如:普通窗户玻璃是工程上最常用的非晶态固体;光纤主要由纯的或掺杂的非晶二氧化硅构成;大部分工程塑胶制品都是非晶态的聚合物,然而,在自然界中我们所认识的金属及合金材料,几乎无一例外地属于晶态材料。
  
  自1960年Duwez应用快速凝固技术以106K/s的急冷速率从Au-Si合金熔体中制备出了非晶态合金之后,非晶态金属材料(又称金属玻璃(metallic glass))才逐渐为人们所认识和关注,20世纪六七十年代,Chen等在Pd-cu-Si和Pd-M-P合金体系中发现这些合金在较低的冷却速率下(103K/s)就可以形成玻璃态,用水淬方法即可得到直径为1mm的块体金属玻璃(bulk metallicglass,BMG),近年来,Inoue领导的研究小组发现了一系列具有强玻璃形成能力的多组元合金体系,其临界冷却速率均在102K/s甚至1 K/B以下,通过各种铸造方法就可制备出毫米甚至厘米尺寸的样品;Johnson组在zr-Ti-Cu-Ni-Be合金体系也发现了具有很强玻璃形成能力的块体金属玻璃,随着越来越多的金属玻璃的发现和它们所具有的各种独特性能的揭示,金属玻璃已成为一类重要的合金材料。
  金属玻璃由于它内部原子排列的无序性而具有均匀、各向同性的结构特征,从而消除了晶态金属中因存在晶界、位错、缺陷等带来的对材料性能的不利影响,体现出许多优异的性能,如高强度、高弹性极限、低模量以及优良的耐腐蚀性能等,因为金属玻璃没有晶体中的位错和晶界等缺陷,其机械强度接近理论强度,比如Fe基和cu基金属玻璃断裂强度分别可达4 GPa和2 GPa,晶体材料的弹性应变通常约为0.2%,而金属玻璃的弹性应变可达2%,这意味着金属玻璃可以储存更多的弹性能,一般地讲,非晶态的模量比完全晶态的模量低30%左右,尽管金属玻璃具有许多优异的性能,然而其宏观尺寸样品在室温形变时的塑性十分有限(压缩塑性一般小于3%,拉伸塑性几乎为零),而且通常表现出瞬间灾难性脆断,这限制了其作为结构材料的潜在应用,由于在金属玻璃中缺乏排列有序的晶面,其塑性形变机制不同于晶体材料的位错机制,目前认为,室温塑性形变时,金属玻璃在应力的作用下形成原子簇重新排列的剪切转变区(shear transforma-tion zone,STZ),随着应力的增加,更多的STZ被激活,并相互连接形成剪切带(shear band),剪切带一旦形成即迅速扩展,导致样品在很短时间内发生灾难性脆性断裂,通常认为金属玻璃的塑性形变完全集中于厚度约10 nm的剪切带中,此时单个剪切带内的局域剪切应变可以达到102%-103%,因此,室温下金属玻璃的塑性形变是不均匀的,而且是高度集中的,许多压缩实验结果表明,在金属玻璃样品中产生的剪切带越多,宏观的形变量越大,大压缩应变量必然伴随着多重剪切带的出现,那么如果金属玻璃的样品尺寸接近剪切带的厚度,是否会表现出不同于宏观尺寸样品的形变行为呢?
  
  有关样品尺寸效应的问题,在晶体材料中已受到关注,2004年,Uchic等人利用聚焦离子束技术(focused-ion-beam,FIB)成功地加工制得了微米尺度的晶体样品,并进行了原位压缩性能测试,大量的小尺寸原位压缩实验结果表明,相对于宏观尺寸的样品,微米尺度晶体材料的强度和塑性均呈现大幅度提高,表现出明显的样品尺寸效应,然而,关于金属玻璃力学行为的样品尺寸效应,特别是小尺寸金属玻璃试样的拉伸性能,由于实验上的困难,至今尚未被认知。
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摘自:物理 2007年第12期  
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