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金属玻璃因为其优异的力学性能,有成为结构材料的广泛应用潜能。但是,因为在受力过程中高度的剪切局域化,其塑性变形往往发生在微小的区域——剪切带内,导致其缺乏宏观的室温塑性,这成为制约金属玻璃应用的主要瓶颈。力学性能主要受到内在结构因素和外部环境因素(高压低温等)的影响,因此可以从这两个方面入手来提高和优化金属玻璃的力学性能。
高压是一种能有效改变材料结构、调制物理性能的方法。本文用高压加工的方法对典型的金属玻璃体系进行预加工处理,发现高压加工可以有效地调制样品的屈服强度,最大可以提高到强度的32%;而且在合适的压力处理下,可以明显地改善金属玻璃的压缩塑性,其原因归结于在高压加工下在样品上产生的致密、均匀和交错分布的剪切带。
低温条件也能为探索材料的性能和结构提供一个行之有效的途径。利用超声脉冲回波重合的方法,对具有代表性的Zr基、Cu基、La基和Mg基金属玻璃的声速和弹性模量随温度的变化规律进行了研究,发现其纵横波速和弹性模量随着温度的降低而升高,而泊松比随着温度的降低而降低,这反映了金属玻璃在随着温度的降低逐渐硬化的过程。而对于Ce基这种性能特殊的金属玻璃体系,发现其纵波声速、体模量随着温度的降低,表现反常的降低趋势。其原因在于Ce元素在低温下不稳定的化合价和变化的电子结构。
借鉴包裹限制在工业中改善脆性材料力学性能的方法,笔者对Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5金属玻璃进行了铜管包裹。铜管包裹可以将3mm直径的Zr41Ti14Cul2.5Ni10Be22.5样品的压缩塑性提高到8%,同时产生大量致密相互作用的剪切带,剪切带之间的相互作用带来加工硬化。这一方法对金属玻璃的种类没有选择性,可以广泛应用于各种体系的金属玻璃。
成分的微小变化可以有效地改变一种材料的微结构,而结构的变化会从本质上改变材料的性能。对CuZr基金属玻璃,随着Al掺杂含量的变化,其泊松比和塑性有明显的一一对应的关系,最大的泊松比值对应着最好的塑性。这一结果证明泊松比可以作为表征金属玻璃塑性强弱的指示参量。
金属玻璃的使用离不开外部环境因素和自身结构的影响,本文在外部条件改变和成分调制下的条件下对金属玻璃力学性能的演化进行了研究,这对探讨金属玻璃力学行为的物理机理以及将来的应用都有重要的参考价值和现实意义。