锯齿流变现象出现在材料当中,反映了材料在外加载荷作用下本征结构参数的浮动,具体表现为应力—应变曲线上材料强度在一定范围内呈锯齿状起伏波动。在晶体材料,如铝镁合金的拉伸试验中将这种现象称作是Portevin Le Chatelier(PLC)效应,认为是由于位错受到溶质原子的钉扎和脱离钉扎而引起的反复性锯齿状变化。相比于晶体材料,非晶合金在制备过程中要求冷却速度快(约为102~103K/s),这就保留了液态金属原子杂乱无章排列的结构特点,因而也就不具备晶体材料中的位错缺陷。正是由于非晶的这一结构特点使得它具备很多优异的力学性能,比如高强度、高硬度、大的弹性极限,以及良好的耐磨损和耐腐蚀性能,使得非晶有望替代传统的晶体材料而备受关注。但是,非晶有一个致命的缺点就是室温下的低塑性。
科研工作者们为非晶塑形的探索做了大量的工作,发现非晶的塑性变形在室温下是不均匀的,会局域到非常窄的剪切带(~10nm厚)中,剪切带开启的位置难以预测,并且演化持续时间极短暂。因此,想要直接观察剪切带的运作来研究非晶的塑性变形机制极具挑战性。然而,非晶的塑性变形过程中伴随着锯齿流变现象,可以引导人们借助锯齿流变的研究以探索非晶的塑性,科研工作者普遍认为,锯齿流变事件是与剪切带演化密切相关的。每个锯齿都包含有应变能的集聚和耗散,表现在应力-应变曲线上为应力的缓慢增加之后伴随着急剧的应力降低,应力将则可以反映剪切带过程即主剪切带的扩展或多重剪切带的形成。
近十几年来,非晶合金材料界为解决其脆性问题在成分的调制上做出了巨大的努力。2007年,中国科学院物理研究所Wang通过对ZrCuNiAl体系成分进行调整,发现了具备超大压缩塑性(应变>150%)的体系。2008年,Pan等给出了具有不同塑性的非晶体系受激活的剪切转变区体积与泊松比之间的正相关关系,由于塑性较好的非晶体系应该有大的激活剪切转变区(STZ),因此在理论上支持了泊松比作为韧脆性判别的重要依据。
图1:不同基体断裂能和泊松比之间的关系
近些年,非晶合金锯齿流变动力学行为受塑性变形能力影响的问题广受关注,Sun等运用统计分析方法探讨了不同塑性的非晶合金在压缩过程中的锯齿流变行为(图2),发现对于塑性变形能力较小的非晶合金Vit105,锯齿流呈现出峰值分布特点的混沌状态(Cha-os)。可形象地用“蝴蝶效应”来描述非晶锯齿流的这种对初始值的敏感性。这种敏感性暗示压缩变形过程中极微小的扰动,有可能导致非晶沿主剪切带发生塑性失稳。而对于塑性变形能力较强的非晶合金Cu47.5Zr47.5Al5塑性流变呈类自组织临界状态,这一状态的重要特征是系统的动力学行为演化在时间和空间上无特征性的尺度分布,内部大量的动力学单元之间的复杂相互作用,呈现动力学特征性的幂律分布,会发生从无序到有序的转变。幂律分布的出现也就说明非晶合金中塑性流变单元(自由体积富集区)之间复杂的相互作用,引发多重剪切带交互作用加强,使其具备一定的抗干扰能力,在加载状态下虽不能完全抑制非晶合金的断裂,但可延缓剪切带不稳定性地快速传播,可以提高其塑性变形能力。
图2:Vit105非晶合金的应力降分布直方图(a),Cu47.5Zr47.5Al5非晶合金的应力降分布直方图(b)
在成分调制实现了很多大块非晶合金体系(毫米级厚)具有大于10%的压缩塑性(如CuZr、Pt、TiCu、Ti和Zr基等)之间,人们还留意到随着试样尺寸的改变会发生非晶合金的韧脆转变。Hu等人在锯齿流变影响因素的研究中得到,在其它条件一定的情况下,直径d为1mm的试样发挥出了最大的塑性,呈现出幅值小且相对不锋利的锯齿特征,证实尺寸效应存在于非晶合金的塑性中。更为精细的长径比对非晶塑性影响的工作展示出了更加显著的尺寸效应,见图3,如试样长径比很小(处在0.47~0.73范围内),当塑性应变接近40%~50%时竟然没有断裂;而在长径比较大的情况下(1.01~1.80),塑性应变很小,尤其是在1.80时,几乎没有塑性。因此,长径比的变化调控了非晶合金的韧脆性转变。
图3:Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10非晶合金在应变速率为2×10-4s-1时,不同长径比下的应力-应变曲线
图4:试样长径比为1.12时应力降的分布直方图(a)和试样长径比为0.73时应力降的分布直方图
Han等人用“机器-试样串联”系统弹簧模型来研究剪切带不稳定性。在这个模型中,上边紫色的弹簧和下边金属色部分分别代表机器和试样,整个模型可以近似代替实际的测试系统。
图5:弹簧-机器系统示意图,u表示加载到系统上的位移,ξ是一个内部参量衡量剪切带的演化
(1)试验机刚度
通过剪切带不稳定性SBI表达式的给出,有必要讨论机器刚度对塑性流变行为的影响。
其中,kS=1/cS,kM =1/cM分别是试样和试验机的刚度;EY,d和A分别是试样的杨氏模量,直径和长径比。
根据表达式,当同一基体,同样大小直径d和长径比A的非晶合金试样在机器刚度kM较大的情况下压缩时会减小S,储存在试样中的能量减少,不足以形成成熟的主剪切带,抑制了主剪切带的形成从而促进多重剪切带的同时演化。相反,kM较小时会增大S,大部分的能量储存在试样中,促使主剪切的形成及不稳定扩展。虽然机器刚度对锯齿流变动力学有影响这一观点已被证实,但是确切计算出其影响的大小目前还是空白,有待探索与证实。
(2)测试温度
基于对剪切带内的温升及热影响区的热传导的理论分析,得出剪切层内瞬时的温升很高能够迎合不均匀的塑性变形,并且热影响区快速地热传导导致了锯齿的消失。表1是应变率为2.5×10-4s-1时不同温度下的τ,m,最大Lyapunov指数λ1。
表1:应变速率为10-4s-1时,不同温度下的时间延迟τ,嵌入维数m和最大的Lyapunov指数λ1
图7:试样分别在293K(a)和213K(b)下加载的分布直方图
(3)应变速率
在研究非晶合金塑性流变机制时注意到,在某些加载应变速率(只探讨准静态压缩)下会出现大的塑性应变,也表现出了锯齿动力学特点的不同。美国香槟大学的Dahmen教授课题组给出了不同应变速率下应力降S的普遍规律,具体的做法是,摘取出各自应变速率下所有的S,求出S的补偿累积分布函数,见图8。
非晶合金锯齿流变动力学的研究推动了塑性机制的发展,时空性的锯齿流揭示了非晶合金结构的时空性的演化问题,不仅可以反映非晶结构的变化,还可以表征非本征结构对塑性的影响,如尺寸效应、外部加载条件(机器刚度、温度和应变速率)。研究者们借助于数学统计方法、混沌理论、分形理论、平均场理论和弹簧模型系统性地研究了非晶塑性流变的演化问题。得出如下结论:①本征韧性的非晶合金其锯齿动力学复杂、无标度,呈类SOC状态,而脆性材料表现为混沌状态;②尺寸小的试样剪切不稳定指数SBI低于其临界值,塑性流变性稳定,因而具有大的塑性应变;③试验机刚度大有利于触发多重剪切带的产生,延缓试样沿着主剪切带灾难性地断裂,从而提高塑性;④低温或高的应变速率下,锯齿幅值会减小,易于出现类SOC状态,分形维数大,剪切带演化稳定,塑性应变大,平均场理论(MFT)证实非晶合金的塑性受应变速率调控。
来源:中国材料进展 2017年第36卷第3期 乔珺威 李娇娇 王重《非晶合金中锯齿流变动力学的研究》