非晶合金薄膜形變模式轉(zhuǎn)變及其內(nèi)在機(jī)理的研究.pdf

1、非晶合金又稱金屬玻璃，是非晶固體材料家族中的新成員。非晶合金作為具有玻璃、金屬、固體和液體特性的新型金屬材料，表現(xiàn)出非常獨特的性能，同時還是人們探索材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理中一些重要問題的模型體系。半個多世紀(jì)以來，非晶合金已經(jīng)從最初的被人們嘲笑為“愚蠢的合金”到如今成為科研工作者的研究熱點。從工業(yè)應(yīng)用的角度出發(fā)，非晶合金研究領(lǐng)域目前存在兩大基本科學(xué)問題:非晶合金的變形機(jī)制是什么？非晶合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能、變形行為之間存在什么關(guān)系？本論文的主要

2、研究工作圍繞著這兩個關(guān)鍵問題展開，通過對非晶合金薄膜變形行為的研究，探索了非晶合金變形模式轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng);通過納米壓痕實驗測試了非晶合金的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)體積，從基本流變單元的角度分析了非晶合金薄膜的變形行為。得到的主要結(jié)果如下:
　　(1)本文在精密拋光的鈦基底上沉積了Ni-Nb非晶合金薄膜，通過基底的彎曲帶動薄膜的變形。通過掃描電鏡對Ni-Nb薄膜的5％拉伸應(yīng)變區(qū)進(jìn)行了變形行為的研究，發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的降低，拉伸變形會從剪切變形轉(zhuǎn)變

3、為非局域變形。并且變形模式的轉(zhuǎn)變存在過渡區(qū)間，即在一定厚度范圍內(nèi)，薄膜可能發(fā)生剪切變形也可能發(fā)生非局域變形。通過對Ni-Nb薄膜退火處理，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫可以使Ni-Nb非晶合金薄膜發(fā)生非局域變形的臨界厚度變小，同時兩種變形模式轉(zhuǎn)變的厚度區(qū)間也被壓縮?；贕riffith裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，從剪切帶擴(kuò)展的驅(qū)動能角度理論上預(yù)測了發(fā)生非局域變形的臨界厚度?？紤]到基底的束縛作用，引入了薄膜彈性能轉(zhuǎn)移比例Ps這個參數(shù)，使理論計算與實驗結(jié)果基本符合。而退火

4、處理會使Ni-Nb薄膜的楊氏模量變大，同時薄膜與基底結(jié)合力降低，導(dǎo)致臨界厚度的變小。
　　(2)研究了Ni-Nb非晶合金薄膜中應(yīng)力狀態(tài)對變形模式轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)在非晶合金薄膜拉伸區(qū)變形模式轉(zhuǎn)變的臨界厚度要明顯低于壓縮區(qū)的臨界厚度?；诜蔷Ш辖饦悠吩诶旌蛪嚎s時的屈服強(qiáng)度差異和Griffith裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，提出了正是非晶合金樣品在拉伸時屈服強(qiáng)度低于壓縮時的屈服強(qiáng)度20％左右，導(dǎo)致了拉伸應(yīng)力區(qū)的臨界厚度值低于壓縮應(yīng)力區(qū)的臨界厚度值。<

5、br>　　(3)進(jìn)一步開展了Ni-Nb、Cu-Zr-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Pd-P和Pd-Ni-P非晶合金樣品變形模式轉(zhuǎn)變的溫度和應(yīng)變速率相關(guān)性研究。發(fā)現(xiàn)非晶合金的變形模式是受實驗溫度和應(yīng)變速率調(diào)控的，變形模式轉(zhuǎn)變的臨界厚度值會隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而增加?；贕riffith裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則和非晶合金彈性參數(shù)與溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系，溫度升高或應(yīng)變速率降低會減小非晶合金樣品的楊氏模量，導(dǎo)致了變形模式轉(zhuǎn)變臨界厚度值的下降。

6、r>　　(4)通過納米壓入技術(shù)，研究了八種不同體系的非晶合金薄膜的蠕變性能。發(fā)現(xiàn)具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度的非晶合金樣品抵抗蠕變的能力更強(qiáng)，同時具有更低的應(yīng)變速率敏感系數(shù)。而從穩(wěn)態(tài)蠕變階段計算得到的各個體系剪切轉(zhuǎn)變區(qū)相關(guān)信息發(fā)現(xiàn)，非局域變形過程中材料的流動性越好（蠕變越明顯），那么剪切轉(zhuǎn)變區(qū)中包含原子數(shù)越少，激活能越低。這說明剪切轉(zhuǎn)區(qū)尺寸大小不僅與非晶合金的塑性相關(guān)，還和非晶合金的變形模式密切相關(guān)。無論是在本課題的研究工作，還是前人對非晶納米柱

7、狀樣品的力學(xué)研究中，非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度越低，發(fā)生非局域變形的臨界尺寸越大。表明剪切轉(zhuǎn)變區(qū)尺寸及激活能越小，非晶合金越容易發(fā)生非局域變形。
　　(5)同樣通過納米壓痕設(shè)備，在Ni-Nb非晶合金薄膜中研究了不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的體積和不同測試手段對剪切轉(zhuǎn)變區(qū)體積的影響。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫可以使剪切轉(zhuǎn)變區(qū)體積顯著變大。而薄膜變形過程中應(yīng)變速率越大，對應(yīng)的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)體積也越大。這也從內(nèi)部流變單元角度解釋了為什么結(jié)構(gòu)弛豫和應(yīng)變速率會影響非