非晶合金强度理论介绍

xxxxx 大学

非晶合金强度理论

姓名： xxx 学号： xx

学院：材料科学与技术学院

专业：xx

题目：非晶合金强度理论

2016年5月 xx

非晶合金的强度理论

摘要：非晶合金的力学性能是目前非晶材料领域最受关注的性能，因为非晶合金尤其是块体非晶合金具有独特的力学性能如超高强度和断裂韧性、高硬度、低弹性模量、独特的形变和断裂行为等。块体非晶合金是迄今为止发现的最强、最硬、最软和最韧的金属结构材料。本文主要介绍非晶合金的强度、塑性（脆性）等非晶合金最显著、最有特点的力学性能及相关的研究进展。

1. 非晶合金的强度和硬度

提高材料的强度是材料领域永恒的课题，因为人们对高强度材料的追求是无止境的。另一方面，强度的物理机制一直是重要而基础的物理问题。对强度物理本质的理解也是认知凝聚态物质本质的关键性钥匙。J Frenkel[1]首先从理论上给出强度的物理机制，并估算出理想晶体的强度。他假设晶体的原子被囚禁在周期势井φ(γ) =φ0sin2(πγ/4γ0)中，固体断裂对应于使这些原子克服势垒（即所有键断开）所需要的最小的力τc : τc =φ0(γ)|γ=γc。这样得到晶体固体的理想强度（或极限强度），τc = 2Gγc /π ≈ G/10。他的工作不仅首次给出晶体固体强度的物理本质的图像，最终还导致位错等缺陷概念的提出和发现，意义重大。

对非晶固体强度和高弹性极限的物理本质的认识，我们并不清楚非晶甚至最简单的以原子为组成单元的非晶合金的高强度的本质。[2] 大块非晶合金为研究非晶物质强度和形变提供了理想体系。实验发现非晶合金的强度和模量具有线性关联[12]：τc/G ≈0.036 <<1/10（τc是切变强度），可以看出其强度仍然远小于理想强度。实验还发现非晶合金的强度取决于其弹性模量以及冻结在非晶合金中的构型(configuration) 。最近提出的流变单元的概念可以解释非晶合金强度的结构原因：非晶强度主要取决于其键合强度（用模量表征）和类液体的流变单元（类似缺陷）的软化作用，可近似表示成：

τc = 2γc G ideal /(1 + α) (1)

这里G ideal 是理想非晶的切变模量，α是与流变单元的含量有关的参量。

高强度是非晶合金最显著和独特的力学特征之一。非晶合金由于没有晶体中的位错、晶界等缺陷，因而具有很高的强度和硬度。其强度接近于理论值，几乎每个合金系都达到了同合金系晶态材料强度的数倍。如钴基块体非晶合金的断裂强度可达到 6.0GPa[3]，创造了现今金属材料强度的最高纪录；其它非晶合金如Fe基非晶合金断裂强度可达3.6GPa，是一般结构钢的数倍；锆基非晶合金约2.0GPa，镁基约1.0GPa，都高于相应的传统的晶态合金[4]。另外，非晶合金的弹性极限是一般晶体合金几倍到几十倍，可以达到2%。高弹性使得非晶合金成为一种储存弹性能极佳的材料。所以块体非晶合金的第一个应用就是体育用品。用Zr基非晶合金制作的高尔夫球杆上的击球头，它可以将接近99%的能量传递到球上，其击球距离明显高于其它材料制作的球杆。利用块体非晶合金高弹性的特点还可以制作复合装甲夹层，它可以延长子弹与装甲之间的作用时间，从而减缓冲击和破坏。非晶合金复合有可能成为第三代穿甲材料。

研究发现非晶合金的强度具有尺寸效应，接近纳米尺度的非晶合金丝具有比其同成分块体非晶合金具有更高的强度和弹性极限[5]，比如CuZr基非晶合金在亚微米尺度的强度可以从1.5GPa提高到约2.5GPa，弹性极限从∼2% 提高到∼2.5%；到纳米尺度，其强度提高到约3.5GPa，弹性极限提高到∼4%，甚至更高。这可能是因为对小尺寸非晶合金，其“缺陷”或者流变单元少，即上式中α值小的缘故。但是，非晶合金也不一定都具有超高强。最近物理所合成出一系列超低强度的非晶合金。这类非晶合金的强度接近聚合物塑料，又被称作金属塑料[6]。这类同时具有塑料和金属的优点的材料，在很多领域都具有潜在的应用和研究价值。比如可使很多复杂工件的加工制造更加容易和便宜，在汽车、军工、航空等领域有潜在应用价值；它是优良的可进行纳米、微米加工和复写的材料。在

基础研究方面，它为深入认识非晶合金的成型规律以及过冷液体特性提供了理想的模型材料。从本文前面介绍的模量关联和上式(1)可以看出，非晶合金的强度和模量有很好的线性关系。所以，通过杨氏模量和强度具有线性的关联的经验规则，可以帮助探索和设计具有所需要强度的非晶合金甚至其它非晶材料[4]。但是，非晶强度物理本源仍是一个重要的基础问题，对非晶强度的认识和研究将会一直受关注。

2非晶合金的强化研究

非晶合金具有高强的显著优点，同时也有明显缺陷。但是多数非晶合金作为结构材料有个致命的缺陷就是缺乏宏观室温塑性变形能力。这是因为非晶作为冷冻液体弛豫时间太慢，在常规应变速率的作用下，只有局域的原子发生剧烈形变，并且这种局域形变不易滑移，因此形成局域的软化剪切带，并很快地转变形成裂纹，最终导致脆性断裂。脆性是结构材料必须避免的，因为脆性意味着在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即可破坏性的断裂，而且断裂的时间和方式具有随机性。所以脆性材料用作结构材料意味着没有安全性。从而限制了其在工程材料领域的应用。

在非晶相基体上引入韧性相以阻止剪切带的扩展而得到非晶复合材料，是改善其塑型的有效途径。这种材料既具备非晶合金的高强度，同时又具有良好的室温塑型变形能力，可以从本质上改善块体非晶合金的应用局限性。Conner[7]和Gilbert[8]等人最早对块状Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5非晶合金的断裂韧性(K1C)进行了测试。采用三点弯曲法，试样的厚度为 2.2mm，测得K1C约55MPa·m1/2。相当于高强钢和Ti合金的水平。2001年，Xing[9]采用真空吸铸法制备出直径3mm 的Zr59Ta5Cu18Ni8Al10非晶合金，压缩时的塑性变形为4.9%左右。2005 年，Jayanta[10]研制出具有超高强度和较高塑性的CuZr非晶合金材料，断裂强度达2265 MPa，同时具有一般非晶材料中不具备的加工硬化效应和极大的延展性(延