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高强度、高弹性极限且耐磨耐腐蚀的非晶合金的工程应用一直是非晶领域研究学者们追逐的目标,而理解非晶合金的变形机制,提高其室温变形时的均匀塑性变形能力是将非晶合金推向应用的必经之路。室温下非晶的主要塑性变形机制是应变高度局域化的剪切带。由于无法抑制剪切带的快速扩展,这种应变局域化会导致样品迅速失稳断裂,进而在宏观上显示为脆性变形。因此,块体非晶或没有约束的非晶薄膜在室温下变形时几乎无任何拉伸塑性。 本工作系统研究了塑性基底约束下Ni-P非晶在室温下的拉伸变形行为及变形机制。利用塑性基底对剪切带扩展的约束有效提高了非晶层拉伸变形时的均匀延伸率,深入分析了非晶在受基底约束条件下的塑性变形机制,探讨了非晶层厚度,基底表层晶粒织构与尺寸对非晶层塑性变形的影响,主要研究结果如下: 1.不同厚度的Ni-P非晶层(从2.6μm到26.4μm)样品在电解沉积粗晶Ni基底上拉伸变形时,观察到了均匀变形与剪切带或裂纹在非晶层拉伸变形过程中同时共存,并且共同为样品的整体宏观塑性变形做出贡献。 (1)均匀变形导致的Ni-P非晶层厚度随拉伸应变增加而逐渐减小。非晶层初始厚度越小,厚度减薄率越大,均匀变形所占的比例越高。当初始非晶层厚度达到25-30μm时,非晶层厚度在拉伸变形过程中则不再减薄,即非晶层发生均匀变形的临界厚度为25-30μm。 (2)变形后的非晶层中硬度值较变形前的初始硬度提高约10%,DSC结果显示非晶层变形过程中弛豫焓随变形量增加不断减少,表明非晶层的均匀塑性变形为“加工硬化”且自由体积减少和结构有序化的过程。 (3)采用Griffith断裂理论对剪切带和裂纹扩展所需应力进行了分析,提出了均匀变形和局域化变形同时共存的变形机制图,揭示了变形模式(局域变形到均匀变形)随非晶层厚度发生逐渐转变的过程。 2.利用表面机械碾压处理(Surface Mechanical Grinding Treatment,SMGT)技术在粗晶Ni表面制备了一层梯度纳米结构Ni(Gradient Nano Grain,GNG Ni)作为塑性基底,研究了Ni-P非晶层在GNG基底约束条件下拉伸变形的变形机制。 (1) GNG基底能有效抑制非晶变形时的应变局域化,阻碍剪切带的不稳定扩展,通过产生大量多重剪切带的方式伎非晶的均匀延伸率能够达到12%。 (2)Ni-P非晶层能获得如此高的塑性变形能力主要得益于Ni-P非晶层与GNG层界面粗糙度低结合良好,界面两侧材料力学性能相匹配,以及GNG基底独特的塑性变形机制。 (3)经过拉伸变形以后的非晶-晶体界面起伏高度仅有50 nm,界面两侧没有脱层或开裂,说明界面能有效的协调两侧的塑性变形。 3.通过比较不同塑性基底对Ni-P非晶塑性变形的约束作用,系统研究了基底表层晶粒的织构和晶粒尺寸对非晶层塑性变形的影响,分析了Ni-P非晶薄膜在不同基底约束下的力学性能。 (1)粗晶Ni基底表层晶粒{200}织构更有利于表面非晶层的塑性变形,变形以后的非晶层在{200}织构基底上的厚度减薄率大于{220}织构基底,说明{200}织构基底更有利于提高非晶层的塑性变形能力。 (2)塑性基底表层晶粒尺寸越细小,对非晶层塑性变形的约束作用越明显,GNG基底适合作为约束表面非晶层变形的理想基底。 (3)界面应力分析表明,Ni-P非晶层与电解沉积粗晶Ni基底界面之间有较高的界面剪切应力存在(2-3 GPa),高的界面应力有利于Ni-P非晶层的塑性变形。 (4)高强度的非晶层在拉伸变形时对试样整体的屈服强度有明显的提高,提高程度最高的是在GNG Ni基底上。