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铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

导读: 多数非晶合金的塑性不佳是阻碍性能优化和应用推广的主要限制。然而,近二十年来,一些新型的块体非晶合金形成体系克服了这一不足,具有较大的压缩塑性和相当高的屈服强度。非晶合金的形变程度与均匀形核和高密度剪切带演化相联系。

多数非晶合金的塑性不佳是阻碍性能优化和应用推广的主要限制。然而,近二十年来,一些新型的块体非晶合金形成体系克服了这一不足,具有较大的压缩塑性和相当高的屈服强度。非晶合金的形变程度与均匀形核和高密度剪切带演化相联系。然而,和预变形态具有结晶性或逆玻璃化第二相的同种体系相比,块体非晶合金形变产生大塑性的内在机制仍不清楚。

成果简介

近日,奥地利科学研究院/莱奥本矿业大学的Jürgen Eckert课题组在Nature Communication上发表了题为“Origin of large plasticity and multiscale effects in iron-based metallic glasses”的研究文章。文章通讯作者及第一作者为奥地利科学研究院的Baran Sarac博士。新近开发的块体非晶合金在准静力压缩时的大塑性,引发了研究人员对原子尺度效应的疑问。本篇文章使用球差矫正高分辨透射电子显微镜,观察到铁基非晶合金中存在尺寸在1-1.5nm数量级的纳米晶。纳米晶的聚集和硬/软区域的出现有关,通过纳米压痕技术验证,与微尺度硬度和弹性模量有关。此外,作者对不同样品厚度的高分辨透射电镜图像进行了系统化的模拟,建立了估算剪切转变区大小的理论模型。结果显示,形成软区的主要机制是均匀弥散的纳米晶,主导剪切转变区的开始和停止机制,因此对力学性能的提高至关重要。

图文导读

图1:Fe50Ni30P13C7BMG的力学表征。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a)准静态应变率为2×10-4/s时,形变BMG的工程应力应变曲线;

(b)压缩BMG的形变表面;

(c)BMG大塑性形变的断裂表面。

图2:Fe50Ni30P13C7BMG的热力学性质。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a)Tg为玻璃转变点,Tx为结晶温度,△Hx为结晶潜热;

(b)Tm为熔化温度,Tl液化温度,△Hm为熔化热;

(c)Tc为BMG的居里温度。

图3:微尺度不均匀性研究。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a)Fe50Ni30P13C7BMG横截面的低倍STEM图像;

(b)1mm大小的Fe基BMG盘状样品的硬度&减少模量图;

(c)相应压痕负载与压痕深度的关系;

(d)从纳米压痕实验得到的接触深度、减少模量和硬度的变化情况。

图4:纳米尺度不均匀性的HRTEM研究。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a,f) 非晶基体(1B和2B)中纳米晶的1A和2A区域;

(b,d,g,i) 8nm厚度的样品中,不同区域的HRTEM图像和(c,e,h,j)相应的快速傅里叶变换。

图5:类晶体团簇的确定。

(a)通过对图4中HRTEM图像进行自关联分析得到的局域原子排布图;

(b)用于纳米晶团簇的体积分数计算的图像;

(c)厚度为8nm的Fe50Ni30P13C7BMG的能量损失谱;

(d)自关联分析后过滤的HRTEM图像,内插图1-4表示快速傅里叶变换模式的变化;

(e)X射线衍射揭示宽化的衍射极大值,未测出晶相峰;

(f)低倍STEM明区图像显示纳米晶团簇;

(g)低倍STEM暗区图像显示纳米晶团簇的弥散情况。

图6:Fe基BMG中纳米晶的HRTEM模拟图。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a)原子模型;

(b-d) 样品厚度依次为8-,15-,23-nm的HRTEM分子动力学模拟;

(e-g) 从样品厚度依次为8-,15-,23-nm的HRTEM模拟得到的快速傅里叶变换,显示出和图4中纳米晶区域的快速傅里叶变换图样的紧密关联。

图7:描述Fe50Ni30P13C7BMG的多尺度形变行为的示意图。

铁基非晶合金中大塑性起源和多尺度效应

(a)和BMG相比具有更低剪切模量的纳米晶(蓝色颗粒)的首先形变部分(纳米晶中小的灰线);

(b)在微尺度下,剪切带不发展成为裂痕,因为软区之间的距离小于BMG的临界开裂长度。

小结

在本篇文章中,作者通过消球差HRTEM证实了,Fe基块体非晶合金中存在均匀弥散的金属纳米尺度晶相。由于Fe和Ni原子具有小的混合热和相似的原子半径,体系的非晶形成能力随Ni含量的增加而降低,促使纳米晶形成。通过纳米压痕实验测得的力学性能显著变化,以及对薄样品的偏向性,证明该块体非晶合金中存在硬度高低的两相。TEM模拟和实验发现很好地符合,唯一可能低于20nm薄片厚度阈值的应为纳米晶偏析物。综上发现可知,准静态压缩下观察非晶合金的显著剪切现象,还有通过剪切转变区的开始和受阻而塑性提高,都和纳米晶紧密相关。受控的纳米晶诱导塑性和纳米级晶粒尺寸可以帮助研究者更好地理解其他非晶合金体系具有大塑性的形变机制。

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