梁維中， 劉鑫池， 康志杰， 陳永生

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

Cu43Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料的彈性變形行為

梁維中， 劉鑫池， 康志杰， 陳永生

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為探討非晶復(fù)合材料的彈性變形機(jī)制，采用銅模滴注法制備Cu43Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料，室溫下利用萬能拉伸試驗機(jī)進(jìn)行單軸拉伸實驗，并使用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，同時采用數(shù)字散斑相關(guān)法從彈性應(yīng)變場演化角度分析非晶復(fù)合材料拉伸變形過程。結(jié)果表明：拉伸變形過程中，拉伸應(yīng)變逐漸增大，最大剪切應(yīng)變起主導(dǎo)作用。在剪切應(yīng)變場中出現(xiàn)壓縮應(yīng)變區(qū)，縱向應(yīng)變場中出現(xiàn)應(yīng)變集中條帶，且條帶中應(yīng)變能密度和斷裂能相差不大，導(dǎo)致材料未發(fā)生塑性變形。樣品發(fā)生剪切斷裂，斷口表面呈現(xiàn)非晶特征的樹枝狀脈絡(luò)條紋，出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)和撕裂棱。該研究可為CuZrAlNb非晶復(fù)合材料拉伸變形與微觀應(yīng)變以及應(yīng)變能傳輸?shù)年P(guān)系提供理論依據(jù)。

非晶復(fù)合材料； 彈性變形； 數(shù)字散斑； 應(yīng)變場

0 引 言

目前，不同體系非晶復(fù)合材料的研究在一定程度上解決了其室溫脆性和應(yīng)變軟化的問題[1-3]。Hofmannn[4]認(rèn)為形變誘發(fā)產(chǎn)生孿晶或馬氏體結(jié)構(gòu)是提高塊體非晶復(fù)合材料塑性的原因。Qiao[5]認(rèn)為高體積分?jǐn)?shù)的枝晶和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得非晶復(fù)合材料在動態(tài)壓縮時具有顯著塑性。在非晶復(fù)合材料中，剪切帶的成核和傳播取決于枝晶體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)枝晶體積分?jǐn)?shù)超過臨界值時，在圍繞枝晶的球形塑性區(qū)域中出現(xiàn)多個剪切帶。由于枝晶可有效阻擋剪切帶的快速傳播，大部分非晶復(fù)合材料表現(xiàn)出較好的塑性[6]。但這些研究只是從宏觀上分析了樣品室溫斷裂后表面滯留剪切帶的分布與其彈塑性變形的關(guān)系，對其變形過程中，樣品彈塑性變形與微觀應(yīng)變以及應(yīng)變能傳輸?shù)年P(guān)系并不清楚。而數(shù)字散斑相關(guān)法(DSCM)是使用數(shù)學(xué)相關(guān)法分析樣品變形過程中表面的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，可根據(jù)數(shù)字圖像灰度值的變化精確測定材料的變形行為[7]。其基本原理是匹配樣品表面變形過程中不同時刻散斑圖像上的幾何點，根據(jù)幾何點的位移變化特點，進(jìn)一步獲得樣品表面變形過程的應(yīng)變場演化信息。基于此，筆者在電流250 A制備條件下，利用DSCM分析拉伸狀態(tài)下樣品的微觀應(yīng)變、應(yīng)變能傳輸與鋸齒形流動之間的內(nèi)在關(guān)系。

1 實驗材料與方法

采用銅模滴注法制備直徑3 mm Cu43Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料。控制電流250 A，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%以上的Cu、Zr、Al和Nb四種金屬元素按粒子數(shù)分?jǐn)?shù)在Ti吸氣和Ar氣氛的高真空鎢極電弧熔煉爐中熔合成母錠，同時采用電磁攪拌法將合金錠重熔四次以確保成分均勻。在Ar氣保護(hù)下，將反復(fù)重熔的合金錠注入直徑為3 mm的銅模中，制備出47 mm長的Cu48Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料棒材。通過線切割將棒材加工成尺寸為10 mm×1 mm×1 mm的狗骨形片狀拉伸試樣。加工過程中，要控制加工速度和冷卻條件，避免出現(xiàn)晶化現(xiàn)象。樣品經(jīng)精磨、電解拋光后，在樣品表面均勻噴涂黑白相間的涂料作為人工散斑場。通過Istron5500R萬能拉伸試驗機(jī)作拉伸實驗，樣品固定后，調(diào)節(jié)CCD攝像頭焦距，加載過程中用白光纖維進(jìn)行照明，夾具向上移動速度為0.069 mm/min，CCD攝像頭以4 Hz的頻率記錄圖片，散斑圖分辨率可達(dá)5 μm/pixel，樣品表面預(yù)選區(qū)域圖像尺寸為420×140 pixel(2.1 mm×0.7 mm)。室溫拉伸過程中，通過帶有光學(xué)鏡頭的CCD攝像機(jī)采集反應(yīng)樣品表面信息的散斑圖，放大的散斑圖由數(shù)字化記錄儀轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像格式，將開始加載所獲圖片作為參考值與目標(biāo)圖片進(jìn)行相關(guān)匹配，獲得樣品表面的變形信息，采用牛頓-拉夫遜迭代方法進(jìn)行計算[8]，繪制出不同載荷下彈塑性應(yīng)變場等值線分布圖。斷口形貌采用HELIOS NanoLab600i掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 室溫拉伸性能

圖1為Cu43Zr48Al4Nb5合金的室溫拉伸實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖1可見，樣品在拉伸過程中經(jīng)過短暫的彈性變形就發(fā)生斷裂，并未出現(xiàn)具有加工硬化效應(yīng)的鋸齒流變特征的塑性變形，斷裂強(qiáng)度為1 351 MPa。

圖1 Cu43Zr48Al4Nb5合金應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線

Fig. 1 Stress-strain tensile curve of Cu43Zr48Al4Nb5alloys

2.2 室溫拉伸斷口形貌

圖2為Cu43Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料的拉伸樣品斷口掃描圖像，其中圖2a為側(cè)面宏觀形貌，圖2b為側(cè)面局部放大形貌，圖2c為拉伸斷裂表面放大形貌。如圖2a所示，樣品斷口表面極不平整，由多個斷面組成，近似屬于剪切斷裂，部分?jǐn)嗝婊咎幱谒椒较?；進(jìn)一步放大側(cè)表面區(qū)域，發(fā)現(xiàn)僅存在少許剪切帶(圖2b白色箭頭所示)；由圖2c可見，斷口表面不平整，部分區(qū)域呈現(xiàn)非晶特征的樹枝狀脈絡(luò)條紋(白色虛線圓圈所示)，可以看到一些熔融液滴狀黏性物質(zhì)(自由體積模型解釋是樣品拉伸時，由于應(yīng)力集中，剪切帶內(nèi)自由體積增多，非晶合金發(fā)生黏性流動，在剪切帶的低黏度區(qū)形成小液滴[9])。其他區(qū)域?qū)儆诰Щ瘏^(qū)，出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)和撕裂棱。

a 側(cè)面宏觀形貌

b 側(cè)面局部放大形貌

c 斷裂表面形貌

Fig. 2 Tensile fracture images of Cu43Zr48Al4Nb5alloy at room temperature

2.3 數(shù)字散斑觀察

圖3～5為Cu43Zr48Al4Nb5樣品的數(shù)字散斑原位拉伸觀察應(yīng)變圖。其中圖3為樣品拉伸變形前預(yù)選區(qū)域的散斑圖，圖4和5分別顯示了圖1應(yīng)力-應(yīng)變曲線上不同標(biāo)記值(1、2、3、4、5)沿x方向(拉伸應(yīng)力加載方向)的線性應(yīng)變εx輪廓圖及剪切應(yīng)變γxy輪廓應(yīng)變場(x軸和y軸分別對應(yīng)拉伸應(yīng)力加載方向和彈性應(yīng)變場的寬度)，應(yīng)力分別對應(yīng)211、465、796、1 142和1 351 MPa。文中正值表示拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，負(fù)值表示壓縮應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。

圖3 原位觀察預(yù)選區(qū)域的散斑圖像

Fig. 3 Speckle images of preselected region were observed in situ

圖4 εx應(yīng)變場的等值線圖

圖5 γxy應(yīng)變場的等值線圖

由圖1可知，該樣品存在明顯的彈性變形，未出現(xiàn)塑性變形。圖4所示的線性應(yīng)變εx屬于拉伸應(yīng)變，其值隨著應(yīng)力增大逐漸變大。當(dāng)應(yīng)力在211～796 MPa時，樣品局部應(yīng)變場不存在顯著應(yīng)變集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到1 142 MPa時，縱向應(yīng)變場中出現(xiàn)較明顯的條帶狀拉伸應(yīng)變集中區(qū)，而在剪切應(yīng)變場中出現(xiàn)較弱的拉伸應(yīng)變集中區(qū)。當(dāng)應(yīng)力增加到1 351 MPa時，縱向應(yīng)變場中出現(xiàn)條帶狀拉伸應(yīng)變集中強(qiáng)度增加，而剪切應(yīng)變場中間部位出現(xiàn)強(qiáng)度較大的拉伸應(yīng)變集中，而壓縮應(yīng)變集中出現(xiàn)在邊緣部位。壓縮應(yīng)變的存在可以阻礙拉伸應(yīng)變集中，這種應(yīng)變的不均性有利于產(chǎn)生塑性變形。

2.4 斷裂行為分析

由圖1、2可以看出，樣品未發(fā)生塑性變形，圖3～5所示的局部應(yīng)變場中沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)變集中條帶。為了進(jìn)一步定量了解Cu43Zr48Al4Nb5合金樣品的裂紋形成和斷裂過程。數(shù)字散斑圖像除了提供應(yīng)變的信息外，還提供應(yīng)變和應(yīng)變能的分布等信息，應(yīng)變集中區(qū)條帶的寬度與所儲存的應(yīng)變能有一定關(guān)系。由樣品數(shù)字散斑數(shù)據(jù)提供的應(yīng)變能分布信息可知，縱向拉伸應(yīng)變集中區(qū)和剪切應(yīng)變集中區(qū)條帶分布不均勻意味著彈性能存儲分布不均勻。樣品斷裂過程中，裂紋優(yōu)先在條帶應(yīng)變集中區(qū)或剪切帶中產(chǎn)生，裂紋產(chǎn)生過程中應(yīng)變能逐漸向斷裂能轉(zhuǎn)換。因此，塑性變形與應(yīng)變集中區(qū)條帶內(nèi)應(yīng)變能消耗有關(guān)。應(yīng)變集中區(qū)寬度與應(yīng)變能局域流量的特征值具有一定的關(guān)系。在縱向應(yīng)變場的應(yīng)變集條帶中應(yīng)變能密度S可以利用式(1)估算[8]，而斷裂能Γ可以用式(2)估計[10]。

(1)

式中：lx——應(yīng)變能存儲范圍寬度，文中是應(yīng)變集中區(qū)條帶寬度；

ν——泊松比；

E——彈性模量；

εx——載荷方向應(yīng)變。

(2)

式中：K——斷裂韌度；

v——裂紋擴(kuò)展速度；

vR——瑞利波速，v≤0.73vR。

3 結(jié) 論

(1)在室溫拉伸變形過程中，直徑為3 mm的Cu43Zr48Al4Nb5非晶復(fù)合材料沒有發(fā)生塑性變形，斷裂強(qiáng)度為1 351 MPa。樣品發(fā)生剪切斷裂，斷口呈樹枝狀脈絡(luò)特征，斷口出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)和撕裂棱。

(2)在拉伸變形過程中，最大剪切應(yīng)變起到主導(dǎo)作用。隨著應(yīng)力增加，Cu43Zr48Al4Nb5合金樣品的縱向應(yīng)變場中拉伸應(yīng)變逐漸增大，且縱向應(yīng)變逐漸出現(xiàn)拉伸應(yīng)變集中條帶，并越來越明顯，而剪切應(yīng)變場中拉伸應(yīng)變也逐漸增大，同時伴隨著微弱壓縮應(yīng)變區(qū)出現(xiàn)。

(3)樣品儲存應(yīng)變能較小，應(yīng)變能密度S和斷裂能Γ的差值不大，發(fā)生拉伸變形過程中消耗的應(yīng)變能與斷裂能相近，導(dǎo)致無法出現(xiàn)塑性變形。

[1] Wu F F, Chan K C, Chen S H, et al. ZrCu-based bulk metallic composites with large strain-hardening capability[J]. Materials Science & Engineering A, 2015, 636: 502-506.

[2] Zhang Y, Lin X, Wang L, et al. Microstructural analysis of Zr55Cu30Al10Ni5bulk metallic glasses by laser surface remelting and laser solid forming[J]. Intermetallics, 2015, 66: 22-30.

[3] Wu Y, Wang H, Liu X J, et al. Designing bulk metallic glass composites with enhanced formability and plasticity[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2014, 30(6): 566-575.

[4] Hofmann D C. Shape memory bulk metallic glass composites[J]. Science, 2010, 329(5997): 1294-1295.

[5] Qiao J. In-situ dendrite/metallic glass matrix composites:a review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2013, 29(8): 685-701.

[6] Liu X F, Chen Y, Jiang M Q, et al. Tuning plasticity of in-situ dendrite metallic glass composites via the dendrite-volume-fraction-dependent shear banding[J]. Materials Science & Engineering A, 2016, 680: 121-129.

[7] Wang H W, Kang Y L, Xie H P. Advance in digital speckle correlation method and its application[J]. Advances in Mechanics, 2005, 35(2): 1795-1799.

[8] Buehler M J, Gao H J. Dynamical fracture instabilities due to local hyperelasticity at crack tips[J]. Nature, 2006, 439(7074): 307-310.

[9] 張 濤, 門 華, 遆云潔. Cu-Zr-Ti塊體非晶合金的玻璃形成及其力學(xué)性能[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2004, 30(10): 925-929.

[10] Fineberg J. The dynamics of rapidly moving tensile cracks in brittle amorphous material[M]. Singapore: World Scientific, 2006: 104-146.

(編校 王 冬)

Elastic deformation behavior of Cu43Zr48Al4Nb5amorphous composite

LiangWeizhong，LiuXinchi，KangZhijie，ChenYongsheng

(School of Materials Science & Engineering， Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022， China)

This paper is driven by the need for investigating the elastic deformation mechanism of amorphous composites. The investigation is done by preparing Cu43Zr48Al4Nb5amorphous composites by copper die dropping method; performing uniaxial tensile tests at room temperature using universal testing machine; and observing the fracture morphologies by scanning electron microscopy, along with an analysis of the deformation process of amorphous composites from the perspective of elastic strain field using digital speckle correlation method. The results show that the tensile deformation process sees a gradual increase in tensile strain and the maximum shear strain plays a dominant role; the compressive strain zone appears in the shear strain field, and the strain concentrated band appears in the longitudinal strain field; the strain energy density and the fracture energy of the band are not quite different in quantity, and there is no plastic deformation; and the samples have shear fracture, whose surfaces exhibit amorphous venation patterns, dimple structure and tearing edges. The study could provide a theoretical basis for relationship between tensile deformation and microstrain, strain energy transfer of CuZrAlNb amorphous composite.

bulk metallic glass composite; elastic deformation; digital speckle; strain field

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金項目(51371078)

梁維中(1966-)，女，遼寧省朝陽人，教授，博士，研究方向：非晶合金的斷裂行為，E-mail:wzliang1966@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.001

TG139.8

2095-7262(2017)05-0449-04

A