连续钨丝增强锆基块体金属玻璃变形过程中剪切带的演化.pdf

2 0 1 1 年1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ．／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／] ．i s s n ．1 0 0 ％7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．1 1 ．0 1 2 连续钨丝增强锆基块体金属玻璃 变形过程中剪切带的演化 姜斐1 ，刘子毅2 ，陈光1 1 ．南京理工大学材料评价与优选设计教育部工程研究中心，南京2 1 0 0 9 4 ； 2 ．长安工业 集团 有限责任公司，重庆4 0 1 1 2 0 摘要研究体积分数为6 0 ％的连续钨丝／Z r 4 ，．2 T i n 。C u ，。．。N i ，。B e z “块体金属玻璃复合材料准静态压缩 变形过程中剪切带的演化过程。发现在弹性变形段不形成剪切带，剪切带是在塑性变形过程中产生并 发展的，且剪切带的数量随着变形量的增加而增大，间距随着变形量的增加而减小；当间距减小到一定 值时产生剪切裂纹并不断扩展，最终导致断裂破坏． 关键词块体金属玻璃；剪切带；变形；复合材料 中图分类号T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 1 1 - 0 0 4 5 - 0 4 E v o l u t i o no fS h e a rB a n d so fT u n g s t e nF i b e rR e i n f o r c e dZ r - B a s e d B u l kM e t a l l i cG l a s sM a t r i xC o m p o s i t ei nD e f o r m a t i o nP r o c e s s J I A N GF e i l ，L I UZ i y i 2 ，C H E NG u a n 9 1 1 ．E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fM a t e r i a l sB e h a v i o ra n dD e s i g n ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，N a n j i n gU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。N a n i i n g2 1 0 0 9 4 ．C h i n a 2 ．C h a n g ’a nI n d u s t r yL i m i t e dL i a b i l i t yC o m p a n y ，C h o n g q i n g4 0 1 1 2 0 ，C h i n a A b s t r a c t E v o l u t i o np r o c e s so fs h e a rb a n d so ft u n g s t e nf i b e rr e i n f o r c e dZ r - b a s e db u l km e t a l l i cg l a s sm a t r i x c o m p o s i t ei nd e f o r m a t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d ．I ti Sf o u n dt h a tn os h e a rb a n df o r m si n t h ee l a s t i c s t a g e ，t h es h e a rb a n df o r m sa n dd e v e l o p si n t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s ．M o r e o v e r ，t h en u m b e ro f s h e a rb a n d si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e f o r m a t i o nq u a n t u m ，a n dt h es h e a rb a n ds p a c i n gd e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed e f o r m a t i o nq u a n t u m ．W h e nt h es h e a rb a n ds p a c i n gr e a c h e st h ec r i t i c a lv a l u e ， s h e a rc r a c k so c c u ra n dc o n t i n u o u s l ye x t e n d ，f i n a l l yr e s u l t i n gi nt h ef r a c t u r ef a i l u r e ． K e yw o r d s B u l km e t a l l i cg l a s s ；S h e a rb a n d ；D e f o r m a t i o n ；C o m p o s i t e 1 9 9 8 年，D a n d l i k e r 等[ 1 ] 首次采用渗流水淬法 制备了连续钨丝增强块体金属玻璃。与纯块体金属 玻璃相比，钨丝增强块体金属玻璃不仅具有很高的 强度，而且具有很好的塑性。随后，越来越多的学者 开始研究钨丝增强块体金属玻璃，研究内容涉及制 备方法[ z - s ] 、钨丝与块体金属玻璃的界面1 “ 4 3 、钨丝体 积分数与性能的关系[ 5 ．8 3 等。C o n n e r 等[ 5 3 进一步 研究发现，钨丝增强块体金属玻璃的压缩强度随着 体积分数的增加而增大，最大强度达到22 5 0M P a ， 而塑性在连续钨丝体积分数为6 0 ％时最大，达到 1 9 ％；其压缩塑性的提高主要是由于钨丝阻止了金 属玻璃中剪切带的扩展和增殖，并促使多剪切带的 形成。国内邱克强‘引、武晓峰[ 7 3 和王志华[ 8 ] 等分别 研究了不同金属玻璃基体钨丝增强复合材料的性 能，得到了与C o n n e r 一致的结果。 钨丝增强块体金属玻璃的多剪切变形行为对材 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 1 0 5 4 I 教育部博士点基金项目 2 0 0 9 3 2 1 9 1 1 0 0 3 5 作者简介姜斐 1 9 8 1 - ，男，河南镇平人，博士生． 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 1 年1 1 期 料的塑性有很大影响。目前，对于其多剪切变形行 为的研究主要集中在不同体积分数下塑性和剪切带 的关系，如王志华等I s ] 研究发现当钨丝体积分数 5 0 ％时，剪切带随体积分数的增加而增加，塑性增 加；但当钨丝体积分数≥5 0 ％时，剪切带随体积分数 的增加而减少，塑性降低。在相同钨丝体积分数下， 主要研究了不同应变速率下该材料的动态力学特 性，Z h a n g 等凹1 分析了该材料中两种不同的剪切带 滑移方式，但是对于钨丝增强块体金属玻璃变形过 程中剪切带的演变还未见报道。 本文以体积分数为6 0 ％的连续钨丝增强 Z r 4 1 ．2 T i l 。．8 C u 。2 ．5 N i 。。B e 。．。块体金属玻璃复合材料为 研究对象，通过观察在准静态压缩过程中不同变形 量下剪切带形貌，分析剪切带的演化规律。 1试验方法 选用Z r 4 1 ．2 T i l 3 ．8 C u l 2 ．5 N i l o B e 2 2 ．5 V i t1 块体金 属玻璃为基体，纯度大于9 9 ．9 ％的Z r 、T i 、C u 、N i 、 B e 纯金属为原料，采用非自耗钨极电弧炉在T i 除 气和高纯氩气氛保护条件下熔炼母合金。选用直径 0 ．2 5m m 的直钨丝作为连续增强纤维，钨丝在丙酮 中超声清洗后装入内径9m m 的石英管中，体积分 数为6 0 ％。采用渗流水淬法制备钨丝／块体金属玻 璃复合材料试样，具体制备方法见文献L 1 ] 。 采用2 0 3 8 X 射线衍射仪分析复合材料的结构。 在C S S - 4 4 2 0 0 型电子万能试验机上进行复合材料 的准静态压缩性能测试，压缩试样名义尺寸圣4m m 8I T l m ，应变速率8 1 0 叫／s 。采用J S M - 6 3 8 0 L V 型扫描电镜观察不同变形量压缩后试样侧面的剪切 带形貌。 2 试验结果及分析 图1 为块体金属玻璃、钨和钨丝／块体金属玻璃 复合材料的X R D 图谱。可以看出，曲线 c 是曲线 a 和 b 的叠加，2 0 3 3 ～4 4o 是块体金属玻璃特 征衍射峰，在2 0 4 0 ．2 6 。 、5 8 ．3 。 和7 3 ．0 6o 处 的三个尖锐衍射峰，为钨丝的三强衍射峰，分别对应 于 1 1 0 、 2 0 0 、 2 1 1 晶面；除此之外，没有出现其 他的晶态衍射峰，表明所制备的试样为钨丝／块体金 属玻璃复合材料。 图2 为用于观察剪切带的4 个体积分数为 6 0 ％的钨丝／Z r 4 1 ，2 T i l 3 ．8 C u l 2 ．5 N i l o B e 2 2 ．5 块体金属玻 璃复合材料试样实际经历的压缩变形实验的应力应 变曲线。 - _ o L o 乙一匕- _ 2 03 04 05 05 0 7 08 0 2 瞅o 图1X R D 图谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r n so fs a m p l e s E n g i n e e r i n gs t r a i n ／％ 图2 体积分数为6 0 ％的钨丝／块体金属 玻璃复合材料压缩曲线 F i g ．2C o m p r e s s i v es t r e s s - - s t r a i nc u r v e o f6 0 ％t u n g s t e nf i b e r - r e i n f o r c e db u l k m e t a l l i cg l a s sc o m p o s i t e s 图3 为剪切带的S E M 图。显然，在弹性变形 段，不存在剪切带。在稳定塑性变形阶段，出现与加 载方向约呈4 5o 角的多剪切带，如图3 b 所示，多 剪切带相互平行、间距基本相等，中止于钨丝与金属 玻璃的复合界面。在图3 c 、图3 d 也观察到了相同 形态的多剪切带，不同的是随着变形量的增加，剪切 带的间距逐渐减小、数量不断增加。 表1 列出了图3 b 、3 c 和3 d 金属玻璃基体中剪 切带的平均间距和密度、以及所对应的变形量。可 见，剪切带的平均间距随着变形量的增加而减小，由 图3 b 时的3 0 ．1p m 减少为图3 c 时的1 9 ．3 肛m ，最 终完全断裂时，剪切带的平均间距为1 0 ．1 弘m ，相应 算山苫，s啦p景ol嘶坼釜暑oU 万方数据 2 0 1 1 年I l 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y ] ．b g r i m mo n 4 7 地剪切带的密度由3 3 ／m m 增加到9 7 ／m m 。进一步 分析，每1 ％的变形量在每毫米距离中所产生剪切 带的数最在b 和c 之间为2 ．4 ，在c 和d 之f H 】为 1 1 ．6 。这表明开始断裂后金属玻璃基体中剪切带增 殖的速度要高于稳定塑性变形阶段，剪切带的数量 随着变形量的增加而增大。 a 弹忭变形段； I ， 稳定塑性变形段； c 初始断裂段； d 完全断裂段 图3 钨丝／块体金属玻璃复合材料压缩试样的侧面多剪切带形貌 F i g ．3M i e r o g r a p ho fl a t e r a ls u r f a c ef o rt h ec o m p r e s s e ds p e c i m e n o fW f - B M Gc o m p o s i t e a 一c [ a s t i cs t a g e ； b 一p l a s t i cf l o ws t a g e ；f c 一i n i t i a lf a i l u r es t a g e d P c o m p l e t ef a i l u r es t a g e 钨丝／块体金属玻璃复合材料不同 变形段的剪切带间距 S h e a rb a n da v e r a g es p a c i n go ft h r e e s t a g e so fW f - B M Gc o m p o s i t e 当剪切带的间距减小到一定值时，试样发生剪 切破坏，图4 是压缩试样完全断裂时侧面的裂纹形 貌。可以看出，复合材料破坏时，钨丝和金属玻璃基 体都发生了弯曲变形，而且既存在钨丝和金属玻璃 基体的剪切断裂 图4 中I 区所示 ，也发生沿着钨 丝和金属玻璃基体界而的纵向撕裂 阁4 中I I 区所 示 ，以及钨丝内部纵向撕裂 图4 中I I I 区所示 。 金属玻璃基体中存在大量密集的、平行的多剪切带， 而且金属玻璃基体剪切断面与剪切带的方向一致， 与加载方向约呈4 5 。 。 一般而言，剪切带的本质就是滑移带，而滑移带 是塑性变形最显著的标志，由于弹性变形足可以恢 复的，变形后不会留下痕迹，而发生屈服后就开始产 生塑性变形，变形不可恢复，从而留下变形的痕迹， 也即是剪切带或者滑移带。显然，图2 巾a 曲线所 对应的试样只经历弹性变形，而b 、c 、d 曲线均经历 了屈服点，并经历r 一定的塑性变形。因此，} 鍪l3 a 中不存在剪切带，而在图3 b 、3 c 、3 d 中均产生多剪切 带。 对于纯块体金属玻璃而吉，剪切变形高度局域 化．剪切破坏易于在与加载方向呈4 5 。 的最大剪 应力面上扩展，通常沿着单一主剪切带发生脆性断 裂，不存在塑性变形。连续钨丝与块体金属玻璃复 合后，其结合界面阻止了单一主剪切带的扩展，在剪 切带中止于界面处产生应力集中，并通过界面传递， 使得在剪切带的附近开动新的二次剪切带。随着变 形量逐渐增加，新开动的剪切带数量也不断增加。 表 №h 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 1 年1 1 期 新开动的剪切带趋于沿着最大剪应力面扩展，从而 形成相互平行的多剪切带。剪切带的数量增加，其 间距则必然不断减小。当间距减小到一定值时，剪 切面上的应力来不及释放，即会产生剪切裂纹并沿 着剪切带方向扩展；当裂纹到达钨丝与金属玻璃的 界面处时，一方面沿着钨丝径向剪切，另一方面沿着 界面纵向扩展，如图4 中I 区、I I 区所示。剪切带演 变为剪切裂纹，并最终导致材料的断裂破坏。 图4 完全断裂时钨丝／块体金属玻璃复台材料 压缩试样侧面的断裂形貌 F i g ．4 M i c r o g r a p ho fl a t e r a ls u r f a c ef o rt h e c o m p r e s s e ds p e c i m e no fW f - B M Gc o m p o s i t e i nc o m p l e t ef a i l u r es t a g e 3结论 连续钨丝增强块体金属玻璃复合材料准静态压 缩变形过程中剪切带的演化过程为在弹性变形段 不形成剪切带，剪切带是在塑性变形过程中产生并 发展的，且受钨丝与块体金属玻璃复合界面的阻碍， 剪切带的数量随着变形量的增加而增大，间距随着 变形量的增加而减小；当间距减小到一定值时产生 剪切裂纹并不断扩展，最终导致断裂破坏。 参考文献 [ 1 ] D a n d l i k e rRB ，C o n n e rRD ，J o h n s o nWL ．M e I ti n f i l t r a t i o nc a s t i n go fb u l km e t a l l i c g l a s sm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sR e s e a r c h ，1 9 9 8 ，1 3 1 0 2 8 9 62 9 0 1 [ 2 3Z h a n gHT ，M aMz ，L i uL ，e ta 1 ．W f ／Z n l2T i l3 H C u lz 5N i l oB e 2 25b u l km e t a l l i cga s sc o m p o s i t e sp r e p a r e d b yan e wm e l ti n f i l t r a t i n gm e t h o d [ J ] ．J o u r n a lo fA l l o y s a n dC o m p o u n d s ，2 0 1 0 ，5 0 4 1 0 61 0 9 ． [ 3 ] K Y U H O N GL E E ，s A N G B O KL E E ，S A N G - K W A N L E E ，e ta 1 ．C o m p r e s s i v ea n dt e n s i l ep r o p e r t i e so ft u n g s t e n c o n t i n u o u s f i b e r - r e i n f o r c e dZ r - b a s e da m o r p h o u sa l l o ym a t r i xc o m p o s i t ef a b r i c a t e db yl i q u i dp r e s s i n g p r o c e s s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s A ，2 0 0 8 ．3 9 A 1 3 1 9 1 3 2 6 ． [ 4 ] 王美玲，惠希东．董伟，等．钨丝增强Z r T i C u N i B e N b 金 属玻璃基复合材料界面E J ] 中国有色金属学报．2 0 0 4 ， 1 4 1 0 1 6 3 2 1 6 3 6 ． [ 5 ] C o n n e rRD ，D a n d l i k e rRB ，J o h n s o nWL ．M e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft u n g s t e na n ds t e e l f i b e rr e i n f o r c e dZ r { I2 T iJ 3aC u 】25N i l 。B e z z5m e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．A c t aM a t e r ．，1 9 9 8 ，4 6 1 7 6 0 8 9 6 1 0 2 ． [ 6 ] 邱克强，王爱民，张海峰，等．钨丝增强Z r A I N i C u S i 块体 非晶复合材料及其塑性行为[ J ] 金属学报，2 0 0 2 ，3 8 1 0 1 0 9 1 1 0 9 6 ． [ 7 ] 武晓峰．张海峰．胡壮麒w 丝增强含c o 锫基非晶复合 材料的变形行为和力学性能[ J ] ．稀有金属材料与工程， 2 0 0 5 ，3 4 6 8 6 3 8 6 6 ． [ 8 ] 王志华，陈光，姜斐，等．体积分数对W f ／Z r 基非晶复合 材料准静态压缩特性的影响[ J ] ．稀有金属材料与工程． 2 0 0 6 ，3 5 1 0 1 5 6 8 1 5 7 1 [ 9 ] Z h a n gH 。Z h a n gzF ，W a n gzG ，e ta 1 ．D e f o r m a t i o n a n dd a m a g ee v o l u t i o no ft u n g s t e nf i b e rr e i n f o r c e dm e t a l l i eg l a s sm a t r i xc o m p o s i t ei n d u c e db yc o m p r e s s i o n [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 8 ，4 8 3 4 8 4 1 6 4 1 6 7 万方数据