学文网摘 要：本文系统地研究了不同非晶合金材料的拉伸、压缩变形与断裂特征，总结了不同非晶合金材料拉伸与压缩断裂的不对称性，观察到具有剪切变形行为的非晶合金，其压缩塑性随样品的高径比减小而逐渐增加；提出了剪切带旋转机制来解释具有高塑性非晶合金材料压缩变形过程中剪切带的偏转，总结了钨丝和原位析出枝晶对非晶合金复合材料韧化效果的不同作用，讨论非晶合金材料压缩剪切断裂、劈裂和破碎的竞争关系。
关键词：非晶合金 剪切变形 塑性
一、非晶合金的剪切断裂规律
非晶合金作为一种宏观上各向同性材料，它不能象金属晶体材料那样具有特定的滑移系，通过位错在滑移面上连续滑动和交互作用发生塑性变形。这样就产生了一个力学上的问题：非晶合金是如何发生剪切变形和随后断裂的？ 或者说剪切带的取向与应力轴有何关系，它的剪切屈服和断裂是否满足经典的断裂与强度理论。为此通过设计单向拉伸和压缩力学性能试验以及随后观察和比较剪切带的形成可以获得有意义的结果。通过对一系列 Zr基非晶合金进行拉伸和压缩试验发现，对于同一种成分的非晶合金样品，在拉伸载荷下发生脆性剪切断裂，其剪切断裂面与拉伸轴的夹角大约是560。
由于非晶合金具有各向同性的特点，在拉伸或压缩载荷作用下，若按照经典的屈特加准则，非晶合金的剪切断裂应该发生在最大剪切应力面上，即其剪切断裂角应该总是为450，上述大量实验结果表明非晶合金的剪切断裂并不服从屈特加准则。另一方面我们知道，非晶合金通常具有极高的断裂强度，如Zr基非晶合金的强度大约在1.5～2.0 GPa，这样高的断裂强度使其在断裂瞬间剪切断裂面上的法向应力也非常高（0.75～1 GPa），而在拉伸和压缩实验过程中，剪切断裂瞬间法向应力方向刚好相反。因此，这样高的法向应力必然影响其断裂瞬间剪切面的取向，使得拉伸和压缩剪切断裂角表现出明显的差别。若考虑拉伸剪切断裂瞬间法向应力对剪切断裂具有促进作用，则必然使剪切面从450位置向大于450的方向发生偏转；同样在压缩剪切断裂瞬间，该法向应力对其剪切断裂将起抑制作用，造成最后剪切断裂角略小于450通过对拉伸和压缩剪切断裂样品进行系统观察，发现二者断裂表面形貌也明显不同。
二、非晶合金塑性变形与强韧化
对于Zr，Cu，Pd和Au基非晶合金，在单向压缩载荷作用下常常表现为剪切变形和断裂行为，常规压缩试验样品的高度H与直径D之比为H：D＝2：1，为此我们选择了具有不同高径比的Zr基非晶合金样品进行了一系列压缩试验，其中H：D＝6：3，5：3，4：3，3：3和2：3。实验结果表明： 随高径比的降低，非晶合金样品的宏观塑性逐渐升高，但其屈服强度和塑性流变强度几乎保持不变。同时，所有断裂的样品均以剪切方式破坏，其剪切断裂角约为400。当 H：D＝2：3 时，样品并不发生破坏而是在表面上出现相互交叉的剪切带，其中剪切带与应力轴的夹角约为460，略大于450，主要原因可以在高压缩塑性变形后发生了剪切带的旋转。当样品的高径比减小到 H：D＝1：4时，发现非晶合金的屈服强度有明显的增加，并且其应力－应变曲线表现出的明显的“加工硬化”现象。同时发现在样品表面上形成了粗大的宏观剪切带。宏观剪切带附近出现多重剪切带。这些多重剪切带发生剧烈的交互作用，造成剪切带明显偏转和以锯齿方式扩展，因此使低高径比非晶合金样品能表现出高的塑性变形能力。这是由于低高径***品两端受到夹头的强烈限制，使整个样品大部分处于难变形区内，造成受限的非晶合金样品中剪切带难以快速扩展而不产生突然失效，这种现象在其他受限制变形的非晶合金中也广泛存在。
三、非晶合金的劈断与动态断裂
对于Fe，Co和Mg基非晶合金，在压缩载荷作用下往往不表现出剪切断裂行为。同时，某些Zr，Cu和Ti基非晶合金，由于制备的样品尺寸过大或经过一定温度退火处理后，也常常断裂成多个部分，当其在铜模喷注条件下制备的板材样品厚度小于2mm时，压缩破坏以典型的剪切断裂形式发生，当其厚度大于2mm时，压缩破坏并不以纯剪切为主，而常常发生劈裂，即使发生剪切断裂其断裂路径也粗糙不平。对于原位析出枝晶钛基合金复合材料，在压缩载荷作用下，也并不总是以纯剪切方式断裂。主裂纹沿样品中间萌生并基本沿平行于应力轴方向扩展，呈现出完全的劈裂失效，这与其内部的微观组织密切相关。另外，某些非晶合金还会以极端的破碎方式失效，Co基非晶合金样品在压缩载荷作用下破碎成大量细小的碎块甚至粉末，在单个碎块表面上也看不到任何熔化的迹象。
传统的解理断裂理论认为：在晶体、氧化物或脆性材料中发生解理断裂时其断裂表面通常是比较光滑的，甚至是原子级光滑的（如硅晶体），其中光滑区被称作镜面区（mirror region）。随着解理裂纹的逐渐扩展，开始发生不稳定而形成断裂台阶，在镜面区的边缘区域被称作模糊区（mist region）。而裂纹发生明显断裂不稳定性的区域则被称作粗糙区（hackleregion），该区域形成粗糙的断裂解理台阶（如河流花样等）。通常认为这种粗糙的断裂台阶是动态裂纹在快速扩展过程中发生动态不稳定性所致。
四、结论
与传统晶体材料相比，非晶合金是一种非常特殊的材料，它的许多力学性能都处于晶体材料的极端状态；如强度、硬度和塑性等。这些极端的性能使非晶合金材料既有可能作为一种极端的材料而得到应用，同时它特殊的微观结构特征又使其成为一类理想的模型材料，为揭示材料的物理、化学和力学问题提供新的思路。块体非晶合金作为一种高强度亚稳态结构材料，其断裂行为不完全遵循传统的断裂与强度准则，通常表现出一定的拉伸与压缩断裂不对称性。
参考文献
[1]俞汉清,陈金德.金属塑性成形原理[M].北京:机械工业出版社, 1999: 54-55.
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