枝晶增强钛基金属玻璃复合材料 如何张力下 让其均匀塑性变形

　　研究了枝晶增强钛基金属玻璃复合材料（MGCs）的拉伸塑性变形.研究发现，存在临界归一化应变硬化速率（NSHR）决定MGCs的塑性稳定性：如果NSHR大于临界值，MGCs的塑性变形将保持稳定，即可以有效抑制缩颈和应变定位，从而产生均匀的塑性伸长率。此外，枝晶增强MGCs经验证具有固有的延展性，可用作改善纯钛或钛合金表面性能的良好涂层。

　　散装金属玻璃（BMG）因其高强度和其他独特的物理和化学特性而被视为结构部件的潜在候选者，然而，大多数BMG的拉伸延性和断裂韧性非常有限，这是由于剪切带的快速和不稳定的扩展造成的，这严重限制了其在工程领域的应用。

　　值得注意的是，在微米尺度上，金属玻璃（MG）剪切带中的剪切应变大于102，表明MG在微米尺度上应具有固有的延展性。这已被关于MG塑性变形的报告所证实，样品尺寸减小到微米或纳米尺度。

　　近十年来，研究发现，引入体心立方（bcc）β枝晶的原位延展性或软相，可以有效地将玻璃基体定制成微米尺寸的斑块数，并有效抑制主要剪切带的快速和不稳定传播。然后激活玻璃基体中的多个微小剪切带，从而显著提高MG复合材料（MGCs）的拉伸延展性和断裂韧性。

　　然而，当它们受到拉伸载荷时，MGCs总是表现出不均匀的塑性变形模式，屈服后具有强烈的应变定位或缩，强烈的颈缩现象严重降低了MGCs在结构领域使用的安全性，从而抑制了其作为结构材料的使用。因此，如何稳定β枝晶增强钛基MGCs的塑性变形对其工程应用具有重要和迫切的意义。然而，β枝晶增强的Zr或Ti基MGC的强颈缩尚不清楚。

　　本工作制备了一系列不同β枝晶体积分数的Ti基MGC（β-MGCs）。通过研究其张力下的力学响应，揭示了变形机理是理解枝晶增强钛基MGCs塑性稳定性的关键β。β-MGC的XRD图谱具有BCC和非晶相的混合物，SEM图像表明，次级枝晶臂的平均尺寸约为3μm。基于OM和SEM图像，S56、S6和S70分别测量了β枝晶的体积分数约为3 ± 81%、5 ± 1%和2 ± 3%。

　　图2显示了β-MGC的典型工程应力-应变曲线 MPa下产率，然后在塑性应变下有限应变硬化至3 MPa。应力持续减小直至最终断裂，试验S1在屈服后经历了不稳定的塑性变形。SEM图像表明，样品S1在最终断裂之前遭受了强烈的颈缩或应变定位。

　　最薄颈部区域的面积减少为33.2%，推导的相应线。β枝晶和MG基体发生了明显的大塑性变形。样品S2在1497 MPa的应力下产生，然后在塑性应变下略微应变硬化至93 MPa。与样品S1类似，样品S2在屈服后也经历了不稳定的塑性变形。

　　样品S2最薄颈部区域的面积平均减少45.7%，计算出的线 MPa的应力下产生，然后在14.3%的塑性应变下应变硬化至46 MPa。应力持续减小直至最终断裂，表明样品S3在显著的应变硬化后也经历了不稳定的塑性变形。S3最薄颈部区域的面积减少27.9%，对应的线。

　　值得注意的是，目前的工作受到样品尺寸的限制，尤其是纵横比。只有当样品的长宽比足够大并且样品的伸长率大于颈部区域的长度时，才能实现缩颈下的完全塑性变形和断裂，如果不满足此临界条件，则颈缩受到限制，并引起扩展的塑性应变。为了明确纵横比效应，在张力下测试了长宽比为3的S15样品。发现颈缩变形与长宽比密切相关，显然，颈缩后的塑性变形随着纵横比的增加而显着减小。

　　图4a显示了由β-MGC和纯钛组成的双金属的微观结构：顶层是β枝晶增强的Ti基MGC，其成分为Ti45.4锆26.4莫6铜9.4是12.8（S1），下基板为纯钛（PT）。MGC和PT之间的界面层由具有BCC结构的β Ti合金组成。β-MGC层中的次级枝晶臂平均约为5 um。β-MGC层中β枝晶的体积分数约为60%，从OM和SEM图像测量。PT基底的晶粒尺寸平均约为150±20μm。

　　结合PT基体，β-MGC双金属表现出完全不同的塑性变形行为，如图4b所示。双金属首先在420 ± 15 MPa时由于PT的塑性变形而屈服，其次由于MGC的塑性变形在660 ± 15 MPa屈服。然后，双金属在最终断裂之前经历了显着的均匀塑性变形。经过明确的应变硬化后，样品的极限强度达到732±20 MPa。结果表明，PT限制的β-MGC可以均匀变形，接近超过13%的塑性应变。PT有效控制和最小化了整体MGC的颈缩，在断裂区域未发现颈缩。

　　根据图2a中的标称应力-应变曲线，似乎所有MGC样品S1、S2和S3都经历了明显的应变软化。但是，通过计算实际面积和载荷，标称线在最薄颈部区域的浓度分别为1 MPa、2 MPa和3 MPa。这些值明显高于其相应的极限拉伸应力1772 MPa、1630 MPa和1470 MPa，表明存在显著的应变硬化现象，。但是，由于颈部区域的三轴应力状态很强，因此应通过布里奇曼公式校正真实应力S。

　　其中 Rn是颈部的曲率半径，rn是颈部区域最薄部分的横截面半径。r 的值n可以近似为矩形试样截面平均长度的一半。通过将测量值代入方程，样品S2的校正线 MPa，比平均应力S小8.3%，S2的真实应力-应变曲线（b）所示。原始曲线是根据工程应力-应变曲线直接计算得出的，一旦开始缩颈，该曲线就不正确且无效。

　　通过重新计算最薄颈缩区域的应力来绘制未校正曲线，由于三轴应力状态，该区域略大于校正后的应力。从校正值可以看出，样品S2中存在明显的弱应变硬化速率。平均应变硬化速率约为440 MPa，与屈服强度（1490 MPa）相比相对较小。

　　同样，样品S1和S3的平均应变硬化率分别计算为553 MPa和729 MPa。很明显，所有三个MGC在缩颈过程中都经历了应变硬化，但没有进行应变软化。对于样品S1，由于没有均匀的塑性变形，因此很难计算初始应变硬化速率。而试样S2和S3具有明显的均匀塑性变形，因此缩颈前的初始应变硬化速率平均分别为1690 MPa和1552 MPa，远大于缩颈过程。

　　目前和报告的结果表明β-MGCs在屈服后总是表现出强烈的不稳定塑性变形，导致缩颈行为。即使β枝晶的体积分数高达70%，β-MGCs中仍然没有均匀的塑性变形。通常，宏观均质塑性变形由许多微非均匀变形组成，即塑性变形在整个规范区不会同时发生，微不均匀变形在这里可以用微塑单元命名。

　　在均匀塑性变形的情况下，塑性单元中的局部缩颈可以通过其应变硬化来抑制。因此，塑性变形可以转移到相邻的未变形塑性单元。这些过程被再现，可以实现均匀的塑性变形。但是，如果塑料单元中的缩颈不能通过其应变硬化来抵消，它将变得更薄并形成宏观缩颈，如大多数延展性金属和合金的最后阶段所示，以及β-MGC13，因此，下面讨论了β-MGCs微塑料单元中的缩颈条件。

　　首先，假设微塑料单元的尺寸为L0×·0（长度×直径）。虽然试样在连续载荷或位移下会发生变形，但金属玻璃的变形总是以突然爆裂为响应，这与剪切事件有关，例如剪切转变区的形成和初始剪切带23.假设该变形爆破均匀分布在塑性单元中，变形爆破以ΔL的增量延长塑性单元。

　　在MG材料中，变形爆破ΔL可能与剪切事件有关，例如剪切转变带（STZ）和新形成的剪切带的最小厚度，因此，将Δ L确定为塑性事件，并且Δ L为10 nm量级，缩颈长度L 0从 10 nm 更改为几微米，给定 ΔL = 10nm，金属玻璃的典型剪切事件尺寸，我们可以根据塑性单元的长度确定临界归一化应变硬化速率，如图 6a 所示。

　　结果表明，临界正火应变硬化速率随着塑性单元长度的增加而降低。在图 6a 中，K0基于等式的线将情节分为两部分。在地图的下部（在 K 下方0线，即 K K 0），归一化应变硬化速率小于临界速率。

　　在这种情况下，应变硬化不足以抵消面积减小引起的负载能力下降。因此，试样的塑性变形不稳定，导致试样缩颈或局部塑性变形。然而，在上部（在 K 上方0线，即 K K 0），正火应变硬化速率足够大，可以抑制塑性单元中的局部变形，导致塑性变形有效地转移到样品的相邻未变形部分。

　　这种变形传递的顺序最终导致样品的均匀塑性变形。有趣的是，通过减小塑性事件的大小可以降低稳定塑性变形的临界应变硬化速率，如图6b所示。当塑性事件从20 nm降低到10 nm时，临界应变硬化速率降低并更接近线。换句话说，在张力下，具有较大塑料单元的样品将比具有较小塑料单元的样品更稳定。

　　综上所述，研究了一系列钛基金属玻璃（MGCs）在拉伸下的塑性变形，可以得出以下结论。通过增加β枝晶的体积分数，可以抑制Ti基MGCs在张力下的不稳定和局部塑性变形，实现张力下的均匀塑性变形。

　　研究了钛基MGCs的应变硬化率， 发现严重颈柄的Ti基MGCs仍发生应变硬化. 在纯钛复合的Ti基MGCs中达到了较大的均匀塑性变形，正火应变硬化速率有一个临界值决定了Ti基MGCs的塑性稳定性：一旦正火应变硬化速率达到或超过临界值，Ti基MGCs的塑性变形是稳定的，即有效控制缩颈或应变定位，导致Ti基MGCs在拉伸下均匀的塑性伸长率。

　　β枝晶增强钛基MGC（β-MGCs），化学成分为Ti45.4锆26.4莫6铜9.4是12.8，钛50.3锆24.8莫7铜8.3和 Ti55.2锆23.2莫8铜7.2是6.4在氩气气氛下通过电弧熔化制备，最后在铜模具中铸造。铸锭的尺寸为 5 × 50 mm2（直径×长度）。由MGC和纯钛组成的双金属的制造细节在以前的报告中进行了描述。

　　通过配备能量分散光谱仪（EDS）的JEM 6490扫描电子显微镜（SEM）检查微观结构和化学成分。使用理学衍射仪对MGC铸锭的相进行了表征，使用具有Cu K的理学衍射仪α辐射。还使用卡尔蔡司光学显微镜（OM）观察微观结构。

　　标距尺寸为 2 × 1 × 1 mm 的 MGC 拉伸样品3采用电火花法制备（长×宽×厚）。拉伸样品中的所有侧表面都经过研磨，最后用0.5 μm金刚石浆料抛光。准静态拉伸试验在室温下使用SANS试验机进行，初始应变率为1×10?4s?1，最后，采用OM和SEM对变形MGCs样品进行了研究，揭示了其变形和断裂特征。