非晶合金力學(xué)性能與斷裂行為的研究進(jìn)展

通過增加缺陷（如位錯）的密度，我們可以提高非晶合金屬材料的薄密度。例如，在20世紀(jì)60年代初，美國加州理工學(xué)院的duwitz研究團(tuán)隊首次通過高速冷卻使au-sin。因此，在其他系統(tǒng)的耐候性材料中也準(zhǔn)備了不同厚度的非晶晶條紋[4.8]。因此，在20世紀(jì)70年代和80年代，一些科學(xué)家開始研究非晶合金屬氧化物的機(jī)械性能和缺陷機(jī)制，并對材料的性質(zhì)、變形和彎曲行為有了新的認(rèn)識。由于非晶合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個無序的狀態(tài)，它在宏觀上表現(xiàn)出各向同性的特征，并且沒有晶體邊界、位錯和晶體彎曲的影響。因此，非晶合材料的變形和彎曲行為具有新的認(rèn)識。由于非晶合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個無序的狀態(tài)，它在宏觀上表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)。因此，非晶合材料的變形和彎曲行為通常表現(xiàn)為不同的金屬材料。例如，提高坐架的比例，減少熱容量的比例，提高非晶合物的塑性模量[58.60]，并在一些非晶合材料中進(jìn)行初步實驗。然而，在詳細(xì)比較下，可以發(fā)現(xiàn)，一些非晶合材料的彎曲、衰減和彎曲行為是主要問題。例如，當(dāng)添加二維和椰子材料、遺傳環(huán)和化學(xué)聯(lián)合體的組件時，切割后的抗彎能力從86年的1.2倍迅速增加到8.1。2級，切割后的抗彎能力從0級[0.0和1]轉(zhuǎn)移到0級[東南]。然而，在研究非晶合物材料的性能時，人們發(fā)現(xiàn)抗彎能力和抗彎能力的差異是通過添加新的單相顆粒[41.44]、高強(qiáng)度纖維[45.48]、納米晶體或準(zhǔn)結(jié)晶子[49.51]和分枝晶體中的固晶氧化物[54.56]等方面得到了越來越多的關(guān)注。此外，一些非晶合材料的成功制備為人們提供了提高非晶合物材料的抗彎性。此外，為了解決非晶合物材料的張力損失及其強(qiáng)韌度的問題，提出了一些新的相關(guān)參數(shù)，例如，添加了牛兒、cu-zu-z。1非晶合金拉伸和壓縮斷裂角度非晶合金作為一種宏觀上各向同性材料,它不能象金屬晶體材料那樣具有特定的滑移系通過位錯在滑移面上連續(xù)滑動和交互作用發(fā)生塑性變形.這樣就產(chǎn)生了一個力學(xué)上的問題非晶合金是如何發(fā)生剪切變形和隨后斷裂的?或者說剪切帶的取向與應(yīng)力軸有何關(guān)系,它的剪切屈服和斷裂是否滿足經(jīng)典的斷裂與強(qiáng)度理論.為此通過設(shè)計單向拉伸和壓縮力學(xué)性能試驗以及隨后觀察和比較剪切帶的形成可以獲得有意義的結(jié)果.通過對一系列Zr基非晶合金進(jìn)行拉伸和壓縮試驗發(fā)現(xiàn),對于同一種成分的非晶合金樣品在拉伸載荷下發(fā)生脆性剪切斷裂,其剪切斷裂面與拉伸軸的夾角大約是56°,如圖1(a).在拉伸斷裂樣品表面上只有1~2條剪切帶,這表明主剪切帶一旦開動便迅速沿其剪切面產(chǎn)生剪切斷裂.而在壓縮載荷下非晶合金同樣也表現(xiàn)出脆性剪切斷裂,如圖1(c),但其剪切斷裂面與壓縮軸方向夾角通常小于45°,如42°等.本實驗曾選擇了3種Zr基非晶合金10余根樣品進(jìn)行拉伸和壓縮試驗,發(fā)現(xiàn)的主要規(guī)律是在拉伸載荷作用,剪切斷裂面與拉伸軸之間的夾角總是大于45°,一般在55°附近[61~64];而在壓縮載荷作用下,剪切斷裂面與壓縮軸之間夾角總是小于45°,大約在40°附近[61~65].早在上世紀(jì)70~80年代,一些研究者在對非晶合金條帶拉伸時,也觀察到其宏觀剪切斷裂面與拉伸軸的夾角大于45°的情況[66~73].近年來國內(nèi)外一些學(xué)者對不同成分的塊體非晶合金進(jìn)行了很多拉伸實驗,表1系統(tǒng)地總結(jié)了在不同非晶合金材料中目前所能收集到的典型拉伸剪切斷裂角的數(shù)據(jù)[61~87],可以看出他們得到的結(jié)果都與圖1(a)相類似[74~87].關(guān)于非晶合金的壓縮剪切斷裂,早期Donovan曾經(jīng)對Pd基非晶合金進(jìn)行過仔細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)這種非晶合金的剪切斷裂面也不發(fā)生在最大分切應(yīng)力面上,大致與壓縮軸成42°夾角.近年來由于國內(nèi)外學(xué)者對各種不同成分的塊體非晶合金材料進(jìn)行了的大量的壓縮實驗,很多研究者都發(fā)現(xiàn)在壓縮載荷作用下非晶合金的剪切斷裂面也偏離最大剪切應(yīng)力面,即向小于45°方向偏轉(zhuǎn),表2系統(tǒng)地總結(jié)了在不同成分非晶合金中所能收集到的典型壓縮剪切斷裂角的數(shù)據(jù)[17,43,45,61,62,64,65,73,80,82,86,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98].由于非晶合金具有各向同性的特點(diǎn),在拉伸或壓縮載荷作用下,若按照經(jīng)典的屈特加準(zhǔn)則,非晶合金的剪切斷裂應(yīng)該發(fā)生在最大剪切應(yīng)力面上,即其剪切斷裂角應(yīng)該總是為45°,上述大量實驗結(jié)果表明非晶合金的剪切斷裂并不服從屈特加準(zhǔn)則.另一方面我們知道,非晶合金通常具有極高的斷裂強(qiáng)度,如Zr基非晶合金的強(qiáng)度大約在1.5~2.0GPa,這樣高的斷裂強(qiáng)度使其在斷裂瞬間剪切斷裂面上的法向應(yīng)力也非常高(0.75~1GPa),而在拉伸和壓縮實驗過程中剪切斷裂瞬間法向應(yīng)力方向剛好相反.因此,這樣高的法向應(yīng)力必然影響其斷裂瞬間剪切面的取向,使得拉伸和壓縮剪切斷裂角表現(xiàn)出明顯的差別.若考慮拉伸剪切斷裂瞬間法向應(yīng)力對剪切斷裂具有促進(jìn)作用,則必然使剪切面從45°位置向大于45°的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn);同樣在壓縮剪切斷裂瞬間,該法向應(yīng)力對其剪切斷裂將起抑制作用,造成最后剪切斷裂角略小于45°.通過對拉伸和壓縮剪切斷裂樣品進(jìn)行系統(tǒng)觀察,發(fā)現(xiàn)二者斷裂表面形貌也明顯不同其中在拉伸斷口表面上存在著大量放射狀的韌窩形貌,這些放射狀的韌窩應(yīng)該是法向張應(yīng)力作用的結(jié)果,如圖1(b).而在壓縮斷口上則不存在這種放射狀的韌窩形貌,而是單一方向的脈紋形貌,如圖1(d).這種單一方向的脈紋形貌是純剪切應(yīng)力作用的結(jié)果.同樣這兩種脈紋形貌也是非晶合金斷裂瞬間高度局部化的剪切帶內(nèi)溫度迅速升高而導(dǎo)致局部熔化的一個直接反映.此外,通過對上述Zr基非晶合金樣品的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(400~420℃)附近退火10~20min后進(jìn)行拉伸試驗,結(jié)果表明,其拉伸斷裂強(qiáng)度迅速降低到幾十兆帕到幾百兆帕不等,并且全部退火樣品均表現(xiàn)出與拉伸軸垂直的正斷破壞,而不是發(fā)生剪切斷裂,如圖1(e).而在其斷裂表面上幾乎沒有熔化的跡象,通常表現(xiàn)出一種類似于“山脊”的脆性(解理)斷裂特征,如圖1(f)這表明非晶合金退火后的斷裂行為與相應(yīng)的機(jī)制發(fā)生了顯著變化,這種斷裂行為與其他退火后的非晶合金的斷裂行為是非常相似的[99~102].從表1給出的典型拉伸斷裂角數(shù)據(jù)可以看出,不同非晶合金材料的拉伸斷裂主要有兩類特征,一是拉伸剪切斷裂,剪切斷裂角一般在50°~65°范圍;另一種是拉伸正斷,斷裂面幾乎垂直于應(yīng)力軸,即斷裂角為90°.這兩種典型的斷裂特征是否符合傳統(tǒng)的斷裂與強(qiáng)度理論呢?下面將分別加以分析說明.材料的斷裂與強(qiáng)度理論是判斷材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞的理論,自從17世紀(jì)伽利略提出最大正應(yīng)力準(zhǔn)則以來,近三四百年時間里各國學(xué)者提出了很多理論或模型,其中廣泛為被人們接受和使用的斷裂準(zhǔn)則包括:最大正應(yīng)力準(zhǔn)則、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則(屈特加準(zhǔn)則)和莫爾-庫侖準(zhǔn)則和范·米塞斯準(zhǔn)則,其中最大正應(yīng)力準(zhǔn)則的臨界破壞條件為即外力所施加的最大拉伸正應(yīng)力σT高于臨界值σ0時材料產(chǎn)生破壞,并且其拉伸斷裂面垂直于拉伸軸,這與表1中某些非晶合金的斷裂行為是一致的.在單向拉伸載荷作用下,其臨界斷裂線與拉伸應(yīng)力莫爾圓的相互關(guān)系如圖2(a),該準(zhǔn)則成立所需的附加條件是其臨界抗剪強(qiáng)度τ0≥σ0/2.另一個簡單實用的經(jīng)典斷裂理論為最大切應(yīng)力準(zhǔn)則,其臨界斷裂條件為即樣品剪切斷裂發(fā)生在最大切應(yīng)力面上,此時拉伸軸與剪切面之間的夾角為45°,如圖2(b)該準(zhǔn)則成立所需要的附加條件為σ0≥2τ0,其中σ0和τ0是材料的本征解理正斷強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度.從表1中的數(shù)據(jù)來看,最大切應(yīng)力準(zhǔn)則也不適合于解釋非晶合金的剪切斷裂行為.為了考慮剪切面上法向應(yīng)力σn對剪切斷裂的影響,莫爾-庫侖準(zhǔn)則給出了如下臨界剪切斷裂條件:即外加的切應(yīng)力τ在克服材料的本征剪切強(qiáng)度τ0的同時,其剪切面上的法向應(yīng)力σn對剪切斷裂起促進(jìn)作用,因此,莫爾-庫侖準(zhǔn)則可以成功地解釋單向拉伸剪切斷裂角θT大于45°的現(xiàn)象,如圖2(c),這樣也就能合理解釋表1中不同非晶合金的剪切斷裂角在50°~65°范圍的情況.但該準(zhǔn)則不能解釋為什么非晶合金還會發(fā)生拉伸正斷,也不能解釋大多數(shù)非晶合金材料的拉伸與壓縮強(qiáng)度的不對稱性并不十分明顯.對于范?米塞斯準(zhǔn)則,其臨界條件為其中σ1,σ2和σ3為樣品的三向主應(yīng)力,在單向拉伸載荷作用下,考慮二維應(yīng)力的情形,即σ3=0(4)式可以簡化為若采用σ-τ坐標(biāo)系,(5)式可以進(jìn)一步整理得其中σ0和τ0為材料的某一個剪切面上無正應(yīng)力作用下的臨界抗剪強(qiáng)度和無切應(yīng)力作用下的臨界解理正斷強(qiáng)度,對于范?米塞斯準(zhǔn)則為一常數(shù).如圖2(d),在拉伸載荷作用下該準(zhǔn)則所預(yù)測的剪切斷裂角θT=60°也為一常數(shù),這表明范?米塞斯準(zhǔn)則在預(yù)測非晶合金的拉伸斷裂行為也有很大局限性.從上述非晶合金的拉伸斷裂方式來看,幾個經(jīng)典的斷裂準(zhǔn)則只能部分解釋其拉伸斷裂行為,這即產(chǎn)生兩個很重要的問題:(ⅰ)為什么同樣是非晶合金材料其拉伸斷裂方式要由不同的斷裂準(zhǔn)則來解釋?(ⅱ)上述4個經(jīng)典的斷裂準(zhǔn)則是否可以由一個更普遍的斷裂準(zhǔn)則來描述即統(tǒng)一為更一般性的斷裂準(zhǔn)則?讓我們再來看一下范?米塞斯準(zhǔn)則(圖2(d)),該準(zhǔn)則要求總為常數(shù),而對于任何一個各向同性的材料,由于材料性質(zhì)的差別,其臨界抗剪切強(qiáng)度τ0與臨界解理正斷強(qiáng)度σ0的比值τ0/σ0應(yīng)該是一個變值而非總是常數(shù),如果選擇一個新的參數(shù)α=τ0/σ0為任意值則可以得到一個更具普遍性的斷裂準(zhǔn)則,即在單向拉伸載荷下的臨界斷裂條件如圖3(a)~(c),其中參數(shù)α=τ0/σ0→0時,其拉伸剪切斷裂可如圖3(a),此時其臨界剪切斷裂角θT→45°,這與屈特加準(zhǔn)則是一致的;當(dāng)參數(shù)時,拉伸剪切斷裂角θT=45°~90°,該斷裂準(zhǔn)則與莫爾-庫侖準(zhǔn)則預(yù)測的結(jié)果是等效的,如圖3(b);若,則θT=60°,即為范?米塞斯準(zhǔn)則;當(dāng)參數(shù),如圖3(c),此時拉伸斷裂總是正斷,即θT=90°,這與最大正應(yīng)力準(zhǔn)則是一致的,也能很好地解釋退火后非晶合金材料的拉伸正斷行為和較低的斷裂強(qiáng)度.由于非晶合金微觀結(jié)構(gòu)上可能存在一定的差別,其臨界抗剪切強(qiáng)度τ0與解理正斷強(qiáng)度σ0的比值α=τ0/σ0應(yīng)該也是變化的.我們認(rèn)為材料的抗剪切強(qiáng)度τ0與解理正斷強(qiáng)度σ0是兩個不相關(guān)的基本強(qiáng)度,它們的絕對值與相對大小決定了材料的強(qiáng)度水平與脆性程度.對于非晶合金材料,它們的抗剪切強(qiáng)度τ0與解理正斷強(qiáng)度σ0可以先通過拉伸試驗測量斷裂強(qiáng)度σT和斷裂角度θT,然后通過以下公式計算出其抗剪切強(qiáng)度τ0與解理正斷強(qiáng)度σ0,即其中根據(jù)上述提出的斷裂準(zhǔn)則,不僅能成功地解釋表1中各種不同非晶合金材料拉伸斷裂角之間的差別,還可以將4個經(jīng)典的斷裂準(zhǔn)則有機(jī)地統(tǒng)一起來.為了更清楚地建立統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則與4個經(jīng)典斷裂準(zhǔn)則之間的關(guān)系,圖4給出了剪切斷裂角和拉伸強(qiáng)度隨α=τ0/σ0變化的趨勢,其中A~D4個區(qū)域或位置分別對應(yīng)于4個經(jīng)典斷裂準(zhǔn)則所適用的范圍.在各種不同的金屬材料中,由于微觀組織的差別,其抗剪切強(qiáng)度τ0與解理正斷強(qiáng)度σ0總是相差很大,因此α=τ0/σ0值將可能相差很大.如延性單晶體材料,其臨界剪切強(qiáng)度通常很低(只有幾兆帕或十幾兆帕),而發(fā)生解理斷裂是很困難的或不可能的,因此其α=τ0/σ0值很可能接近于0.隨著滑移帶內(nèi)位錯的增殖、交互作用以及次滑移的潛在硬化作用和晶界對位錯的塞積作用造成的晶粒細(xì)化所帶來的晶界強(qiáng)化效應(yīng),單晶體、常規(guī)粗晶體、細(xì)晶材料甚至納米晶材料,它們的α=τ0/σ0值將逐漸增加,如圖5所示的A區(qū)和B區(qū).另一方面,在理想情況下,一個各向同性材料在受到拉伸和壓縮載荷作用時,若其拉伸剪切屈服和斷裂服從統(tǒng)一斷裂準(zhǔn)則,而壓縮剪切屈服或斷裂服從最大切應(yīng)力準(zhǔn)則,則此時其拉伸強(qiáng)度σT和壓縮強(qiáng)度σC可以分別簡單地表示為這樣其拉伸與壓縮強(qiáng)度之比值的增加而降低,表現(xiàn)出明顯的不對稱性,如圖5中C區(qū)部分.對于A和B兩個區(qū)域?qū)⒅饕獙?yīng)于晶體材料的特征,而C區(qū)開始部分α=τ0/σ0值相對較低,其拉伸與壓縮強(qiáng)度的不對稱性也相對較小,這與大多數(shù)呈剪切斷裂的非晶合金的強(qiáng)度結(jié)果是一致的.隨α=τ0/σ0值的繼續(xù)增加,非晶合金的拉伸與壓縮強(qiáng)度的不對稱性將進(jìn)一步逐漸加大,這與某些脆性非晶合金的斷裂結(jié)果是完全一致的[99~102]近年來,某些學(xué)者提出非晶內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的有序度是不完全相同的,它們在宏觀上可能表現(xiàn)出很大的塑性差異[106~111],這種微觀結(jié)構(gòu)上的差異也將導(dǎo)致其α=τ0/σ0值的變化.我們認(rèn)為,對于低α值非晶合金材料,由于剪切強(qiáng)度τ0相對較低,這類非晶合金更容易發(fā)生剪切變形而表現(xiàn)出良好的塑性,如某些Zr,Cu,Au和Pd基非晶合金等[54,57,60,88,110,111];對于高α值非晶合金材料,由于剪切強(qiáng)度τ0的提高,剪切變形相對困難,因而很難表現(xiàn)出塑性,如Mg,Co和Fe基非晶合金.此外,非晶合金經(jīng)過退火后,其α=τ0/σ0值也將明顯提高,造成由原來的純剪切斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榕焉踔潦瞧扑槌扇舾杉?xì)小的碎塊[98,99,100,101,102,112,113,114,115].正是由于各種不同非晶合金材料微觀結(jié)構(gòu)上的差別,造成其α=τ0/σ0值的明顯變化,進(jìn)而使不同非晶合金材料表現(xiàn)出不同程度的塑性變形能力和不同的斷裂方式.表3給出了不同非晶合金材料的名義拉伸強(qiáng)度、剪切斷裂角以及本征臨界剪切和正斷強(qiáng)度,可以看出:大多數(shù)發(fā)生拉伸剪切斷裂的非晶合金的值大約在0.455~0.577范圍.2材料的壓縮性能對于Zr,Cu,Pd和Au基非晶合金,在單向壓縮載荷作用下常常表現(xiàn)為剪切變形和斷裂行為,常規(guī)壓縮試驗樣品的高度H與直徑D之比為H:D=2:1,為此我們選擇了具有不同高徑比的Zr基非晶合金樣品進(jìn)行了一系列壓縮試驗,其中H:D=6:3,5:3,4:3,3:3和2:3.實驗結(jié)果表明:隨高徑比的降低,非晶合金樣品的宏觀塑性逐漸升高,但其屈服強(qiáng)度和塑性流變強(qiáng)度幾乎保持不變.同時,所有斷裂的樣品均以剪切方式破壞,其剪切斷裂角約為40°,如圖6(a)和(b).當(dāng)H:D=2:3時,樣品并不發(fā)生破壞而是在表面上出現(xiàn)相互交叉的剪切帶,如圖6(c),其中剪切帶與應(yīng)力軸的夾角約為46°,略大于45°,主要原因可以在高壓縮塑性變形后發(fā)生了剪切帶的旋轉(zhuǎn).當(dāng)樣品的高徑比減小到H:D=1:4時,發(fā)現(xiàn)非晶合金的屈服強(qiáng)度有明顯的增加并且其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出的明顯的“加工硬化”現(xiàn)象.同時發(fā)現(xiàn)在樣品表面上形成了粗大的宏觀剪切帶,如圖6(d).宏觀剪切帶附近出現(xiàn)多重剪切帶,如圖6(e)和(f).這些多重剪切帶發(fā)生劇烈的交互作用,造成剪切帶明顯偏轉(zhuǎn)和以鋸齒方式擴(kuò)展,因此使低高徑比非晶合金樣品能表現(xiàn)出高的塑性變形能力.這是由于低高徑比樣品兩端受到夾頭的強(qiáng)烈限制,使整個樣品大部分處于難變形區(qū)內(nèi),造成受限的非晶合金樣品中剪切帶難以快速擴(kuò)展而不產(chǎn)生突然失效,這種現(xiàn)象在其他受限制變形的非晶合金中也廣泛存在.非晶合金除了在限制載荷下容易萌生大量剪切帶而表現(xiàn)出高塑性變形能力外,還可以通過原位析出枝晶固溶體來提高其韌性和塑性變形能力.如典型的Ti基合金復(fù)合材料,由于內(nèi)部析出大量的延性枝晶固溶體,其壓縮塑性可高達(dá)30%以上.如圖7(a),在壓縮過程中萌生大量的主剪切帶和隨后形成許多次級剪切帶,然而最后斷裂時其剪切斷裂面一般是沿主剪切帶發(fā)生,如圖7(b),此時,該剪切斷裂面與應(yīng)力軸夾角往往大于45°,通常為46°~51°.這是由于該Ti基合金復(fù)合材料具有很高的壓縮塑性,經(jīng)過壓縮大塑性變形后樣品的高度大大降低,其主、次剪切帶都將隨樣品高度的降低而發(fā)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn).如果假設(shè)樣品的體積不變,如圖7(c)和(d),樣品主剪切帶萌生初期的剪切角θ0C、壓縮塑性變形量εp和最后斷裂時的剪切斷裂角θFC之間的關(guān)系為由于εp高達(dá)20%~30%,θCF=46°~51°,因此可以求得主剪切帶萌生初期的剪切角θC0≈40°,這實際與莫爾-庫侖準(zhǔn)則是一致的.這表明延性的Ti基合金復(fù)合材料是一種具有良好壓縮塑性的復(fù)合材料,通過原位生成的枝晶固溶體一方面將相對脆性的合金基體連接起來,同時還可以有效地阻止剪切帶的快速擴(kuò)展,最終表現(xiàn)出良好的塑性變形能力.另外一種提高非晶合金材料韌性的方法是加入高強(qiáng)度鎢纖維[46~48],這些鎢纖維在非晶合金復(fù)合材料變形過程中可以有效地阻止剪切帶的快速擴(kuò)展,同時誘發(fā)更多剪切帶的形成,如圖8(a).在兩根平行的鎢纖維之間首先萌生許多平行的主剪切帶,主剪切帶由于受鎢纖維的強(qiáng)烈阻礙作用,產(chǎn)生許多彎曲和無規(guī)則的剪切帶.從形貌上看,這些雜亂無章的次級剪切帶非常類似于晶體中“位錯”的運(yùn)動和交互作用,使整個復(fù)合材料表現(xiàn)出高的塑性變形.隨塑性變形量的增加,主剪切帶常常撞擊鎢纖維使其內(nèi)部產(chǎn)生劈裂,如圖8(b)和(c),并使鎢纖維發(fā)生扭折變形.當(dāng)鎢纖維體積分?jǐn)?shù)很高時(如>50%),樣品常常發(fā)生劈裂;在低纖維體積分?jǐn)?shù)時,樣品也會發(fā)生純剪切斷裂,將鎢纖維沿剪切面完全切斷(圖8(d)).當(dāng)鎢纖維排列方向與應(yīng)力軸相互垂直時,其對復(fù)合材料幾乎沒有韌化作用,樣品往往發(fā)生脆性剪切失效,如圖8(e).高強(qiáng)度鎢絲不能有效阻礙主剪切帶快速擴(kuò)展,同時也不能在非晶基體內(nèi)誘發(fā)大量次剪切帶,而往往導(dǎo)致鎢絲內(nèi)部萌生局部裂紋而失效,如圖8(f).以上結(jié)果表明,鎢纖維的排列方式對復(fù)合材料的韌化效果具有至關(guān)重要的作用,只有那些平行于加載軸方向的鎢纖維才能起到很好的韌化效果.人們目前已研制出多種非晶合金材料的韌化方法,如加入多種顆?；虻诙?、鎢絲、以及調(diào)整合金成分等,這些方法都只是對于壓縮樣品的韌化起作用[41~51],而很少發(fā)現(xiàn)在拉伸樣品中有明顯的塑性變形能力的復(fù)合材料.目前似乎只有Hays等人報道了Zr基非晶合金復(fù)合材料可以通過原位析出枝晶固溶體來韌化,該復(fù)合材料具有明顯的拉伸塑性,并在以后實驗中多次重復(fù)出拉伸塑性.而其他非晶合金樣品雖然也報道過拉伸塑性,但都未有后續(xù)報道.圖9所示是由Hays等制備的含有原位析出枝晶固溶體的Zr基非晶合金樣品經(jīng)過拉伸后的變形與斷裂形貌,其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出3%~5%的拉伸塑性.樣品最后大致呈剪切斷裂方式破壞,并在斷口周圍有明顯的頸縮現(xiàn)象(圖9(b)),在頸縮區(qū)域內(nèi)存在高密度的剪切帶(圖9(c)和(d)),這些剪切帶的大量開動使該非晶合金復(fù)合材料樣品能夠具有一定拉伸塑性.以上事實說明某些非晶合金及其復(fù)合材料雖然在一定程度上解決了壓縮塑性,但拉伸塑性的徹底解決尚需重大突破,在某種程度上這又是一項具有極大挑戰(zhàn)性的課題,這里簡單探討一下其主要原因.我們知道非晶合金材料的屈服或斷裂強(qiáng)度是相當(dāng)高的,通常在1.5~5GPa之間,它取決于合金體系.對于完全非晶合金或顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料,當(dāng)拉伸至樣品屈服時,樣品所承受的拉伸張應(yīng)力已經(jīng)很高(1.5~5GPa).如果樣品一旦發(fā)生塑性屈服,則必須萌生剪切帶,如果要連續(xù)發(fā)生塑性變形,只有通過剪切帶的繼續(xù)擴(kuò)展來實現(xiàn).而此時施加在主剪切面法向上的正應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到0.75~2.5GPa,這樣高的正應(yīng)力作用在已經(jīng)弱化的剪切面上必然造成剪切面之間的迅速分開,而出現(xiàn)突然的脆性斷裂,最后表現(xiàn)出無拉伸塑性.對于枝晶增強(qiáng)Zr基非晶合金復(fù)合材料,通常枝晶固溶體的強(qiáng)度要低于非晶合金基體,在外力應(yīng)力下內(nèi)部首先產(chǎn)生滑移帶而率先屈服,滑移帶的擴(kuò)展過程一方面使枝晶本身發(fā)生加工硬化,另一方面將撞擊周圍非晶基體激發(fā)非晶中剪切帶的萌生和擴(kuò)展.而Zr基非晶合金材料的拉伸屈服強(qiáng)度相對較低約為1400MPa,其內(nèi)部枝晶又幾乎相互連接并貫穿于整個非晶合金基體,枝晶中的滑移帶與非晶基體中的剪切帶不在一個方向上使其不易瞬間連接成一個主裂紋而快速斷裂.同時在拉伸應(yīng)力下枝晶固溶體本身具有很好的塑性變形能力,它們又相互連接對非晶基體起到一個很好的屏障作用,因而這種非晶合金復(fù)合材料能夠表現(xiàn)出一定拉伸塑性.3非晶合金臨界斷裂對于Fe,Co和Mg基非晶合金,在壓縮載荷作用下往往不表現(xiàn)出剪切斷裂行為[112~115].同時,某些Zr,Cu和Ti基非晶合金,由于制備的樣品尺寸過大或經(jīng)過一定溫度退火處理后,也常常斷裂成多個部分[99~102].圖10(a)為Zr46Cu47Al7合金樣品,當(dāng)其在銅模噴注條件下制備的板材樣品厚度小于2mm時,壓縮破壞以典型的剪切斷裂形式發(fā)生,當(dāng)其厚度大于2mm時,壓縮破壞并不以純剪切為主,而常常發(fā)生劈裂,即使發(fā)生剪切斷裂其斷裂路徑也粗糙不平.對于原位析出枝晶鈦基合金復(fù)合材料,在壓縮載荷作用下,也并不總是以純剪切方式斷裂,如圖10(b).主裂紋沿樣品中間萌生并基本沿平行于應(yīng)力軸方向擴(kuò)展,呈現(xiàn)出完全的劈裂失效,這與其內(nèi)部的微觀組織密切相關(guān).另外,某些非晶合金還會以極端的破碎方式失效,如圖10(c),Co基非晶合金樣品在壓縮載荷作用下破碎成大量細(xì)小的碎塊甚至粉末,在單個碎塊表面上也看不到任何熔化的跡象,如圖10(d).這說明雖然同樣為非晶合金材料,除了典型的剪切失效方式外,還存在其他的破壞方式,如劈裂和破碎等,其根本原因在于不同非晶合金材料的抗剪切強(qiáng)度τ0和抗解理正斷強(qiáng)度σ0的相對大小α=τ0/σ0發(fā)生變化,這種斷裂現(xiàn)象在其他非晶合金或在具有剪切變形特征的非晶合金退火后也常常能觀察到[99,100,101,102,112,113,114,115].在壓縮載荷作用下,假設(shè)非晶合金的壓縮強(qiáng)度為σC,當(dāng)其臨界抗剪切強(qiáng)度τ0σC/2,則該非晶合金此時很難發(fā)生剪切變形和斷裂,而不得不表現(xiàn)出其他失效方式,如劈裂或破碎.在壓縮剪切屈服前壓縮應(yīng)力服從虎克定律,即其中E為彈性模量,εC為臨界壓縮應(yīng)變.當(dāng)樣品壓縮應(yīng)變達(dá)到εC時,由于泊松效應(yīng),在樣品側(cè)向?qū)a(chǎn)生一拉應(yīng)變εT,并且服從這里ν為非晶合金的泊松比.在側(cè)向拉應(yīng)變εT的作用下,樣品內(nèi)部將產(chǎn)生一個側(cè)向拉應(yīng)力σT該拉應(yīng)力同樣服從虎克定律,即這表明側(cè)向拉應(yīng)力σT與壓縮應(yīng)力σC具有正比關(guān)系,當(dāng)時,非晶合金樣品將產(chǎn)生垂直于側(cè)向拉應(yīng)力方向的裂紋,即側(cè)向解理正斷,如圖10(a)和(b)所示,而不是產(chǎn)生剪切斷裂.根據(jù)(14)~(17)式可得和由于大多數(shù)非晶合金的泊松比在0.3~0.42,則可以大致估計對于那些容易產(chǎn)生壓縮劈裂的非晶合金樣品的α=τ0/σ0≥(1.2~1.7),這即是前面所提到統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則中具有高α值的非晶合金材料,如典型的Mg,Fe和Co基非晶合金材料[58,90,97,112,113,114,115].可以認(rèn)為是這些非晶合金材料的臨界抗剪切強(qiáng)度與臨界正斷強(qiáng)度的相對大小α=τ0/σ0發(fā)生了變化,才造成了其容易劈裂甚至破碎,而這種脆性的出現(xiàn)似乎與其泊松比的大小關(guān)系不大.對于那些容易發(fā)生破碎的非晶合金樣品,其斷裂表面在宏觀上呈現(xiàn)一種放射狀形貌,如圖11(a).并且放射狀斷裂區(qū)源頭也很光滑,呈現(xiàn)出一種很理想的解理斷裂特征.然而采用高分辨掃描電鏡觀察(通常在1~5萬倍的觀察倍數(shù))其斷裂表面發(fā)現(xiàn),在微觀上,這些光滑區(qū)域是布滿了十分均勻和排列整齊的臺階,如圖11(b)~(e)所示.可以看出圖11(a)中A~D4個位置的臺階平均間距也各不相同,分別為64,50,40和37.5nm.這種斷裂臺階在Mg,Ni和Fe基非晶合金的斷裂表面也被觀察到[111~114].傳統(tǒng)的解理斷裂理論認(rèn)為[125~132]:在晶體、氧化物或脆性材料中發(fā)生解理斷裂時其斷裂表面通常是比較光滑的,甚至是原子級光滑的(如硅晶體),其中光滑區(qū)被稱作鏡面區(qū)(mirrorregion).隨著解理裂紋的逐漸擴(kuò)展,開始發(fā)生不穩(wěn)定而形成斷裂臺階,在鏡面區(qū)的邊緣區(qū)域被稱作模糊區(qū)(mistregion).而裂紋發(fā)生明顯斷裂不穩(wěn)定性的區(qū)域則被稱作粗糙區(qū)(hackleregion),該區(qū)域形成粗糙的斷裂解理臺階(如河流花樣等).通常認(rèn)為這種粗糙的斷裂臺階是動態(tài)裂紋在快速擴(kuò)展過程中發(fā)生動態(tài)不穩(wěn)定性所致.那么脆性非晶合金材料為什么在宏觀上看起來光滑的區(qū)域會形成規(guī)則的微觀斷裂臺階呢?對于脆性的非晶合金材料,在斷裂前瞬間通常承受很高的應(yīng)力(2~5GPa),由于其α=τ0/σ0比較大,使其難以以剪切方式變形來形成剪切帶,因而在高壓應(yīng)力作用下非晶合金樣品以快速解理斷裂方式破碎成許多小塊,其中裂紋常常以幾百米每秒的速度高速擴(kuò)展而發(fā)生動態(tài)斷裂[126~136].當(dāng)非晶合金樣品所受到的拉應(yīng)力達(dá)到其靜態(tài)解理斷裂強(qiáng)度σ0時,非晶合金所儲存的彈性能密度可以表示為其中ES為靜態(tài)彈性模量,此時非晶合金將發(fā)生靜態(tài)解理斷裂.而當(dāng)非晶合金樣品瞬間破碎過程中,在樣品的局部區(qū)域破碎的粒子將受到高速的拉伸應(yīng)力作用,產(chǎn)生動態(tài)斷裂.Tubler和Butcher曾經(jīng)提出材料的動態(tài)斷裂強(qiáng)度σD與靜態(tài)斷裂強(qiáng)度σ0滿足:其中t0為斷裂時間、β是材料常數(shù).由于動態(tài)斷裂所發(fā)生的斷裂時間非常短,因此,實驗上發(fā)現(xiàn)動態(tài)斷裂強(qiáng)度σD要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)斷裂強(qiáng)度σ0,即σD≥σ0.因此,非晶合金樣品局部破碎的粒子表面在斷裂瞬間所受到的動態(tài)拉應(yīng)力σD將是非常高的,此時,非晶合金樣品的局部區(qū)域在斷裂瞬間所儲存的動態(tài)彈性能密度可以表示為其中ED為動態(tài)彈性模量.近年來一些學(xué)者認(rèn)為動態(tài)斷裂的彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)斷裂的彈性模量,在裂紋尖端發(fā)生超彈性(hyper-elasticity)行為,即EDES.因此發(fā)生動態(tài)斷裂與靜態(tài)斷裂瞬間解理裂紋尖端所儲存的彈性能密度差可以表示為因此在動態(tài)解理斷裂裂紋尖端將有大量過剩的彈性能,在這些過剩彈性能的驅(qū)動下,動態(tài)裂紋一方面將盡可能加速前進(jìn)而盡快消耗能量,另一方面以動態(tài)不穩(wěn)定性方式擴(kuò)展形成一個曲折路徑,即曲曲(curving),來產(chǎn)生更多斷裂表面來消耗過剩的能量.結(jié)合圖11中的觀察和上述分析,可以認(rèn)為對于非晶合金樣品,其解理斷裂表面上的鏡面區(qū)、模糊區(qū)和粗糙區(qū)的形貌可如圖12所示.在解理斷裂的鏡面區(qū),仍然不是原子級光滑的,而是存在許多平行規(guī)則的斷裂臺階.由于非晶合金在結(jié)構(gòu)上具有各向同性的特點(diǎn),原則上其動態(tài)解理裂紋在任何一個方向上擴(kuò)展都是等同的,這為其動態(tài)裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展和產(chǎn)生斷裂臺階提供了可能.這些規(guī)則的斷裂臺階在本質(zhì)上是由動態(tài)裂紋快速擴(kuò)展過程中的失穩(wěn)所形成的曲折斷裂表面輪廓隨著動態(tài)裂紋擴(kuò)展速率的進(jìn)一步升高,當(dāng)達(dá)到臨界值υC時,則產(chǎn)生動態(tài)分叉(bifurcation)而進(jìn)一步形成模糊區(qū)和粗糙區(qū)(圖12).某些非晶合金材料的動態(tài)解理斷裂行為為進(jìn)一步揭示其斷裂與強(qiáng)度的本質(zhì)提供了新的視角.4非晶合金材料的彈性應(yīng)變與傳統(tǒng)晶體材料相比,非晶合金是一種非常特殊的材料,它的許多力學(xué)性能都處于晶體材料的極端狀態(tài);如