浅析非晶合金材料的变形和断裂

摘要：本文是针对非晶合金材料在拉伸、压缩荷载力下变形和断裂特征的研究。笔者结合自己的实践经验，在文中列举了一些不同的非晶合金材料样品，在受到外部荷载后断裂或变形的不对称性，并且分析了剪切变形行为的非晶合金，其压缩塑性与所选样品高度、直径比值之间的关系。文章在最后，还总结了原位析出枝晶对非晶合金复合材料韧化效果的不同作用，讨论了非晶合金材料在压缩、剪切作用下出现断裂、劈裂以及破碎的竞争关系，为非晶合金材料的广泛应用奠定了基础。

关键词：非晶合金材料 压缩与剪切 变形和断裂

1.非晶合金概念及特点

非晶合金材料是指利用超急冷凝固技术，使合金在凝固时内部原子不能正常的进行有序排列结晶，从而得到长程无序结构的固态合金。非晶合金技术起源于上世纪60年代的美国，其工艺简单，性能优异，具有许多独特的性能，是冶金学中新型材料的代表。我国材料学专家从80年代以后逐渐开始了针对于非晶合金的研究。

非晶合金材料的导磁性能突出，在典型的非晶态合金中约含有80%的铁，其它成分通常为硼和硅。但它的晶体结构与硅钢完全不同，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列，因而更加有利于被磁化和去磁。非晶合金材料的特点可以归纳为以下几点：

①非晶合金的铁芯片厚度非常薄，通常在20到30μm之间，其填充系数也很低，约为0.82。

②非晶合金材料的硬度约为硅钢片的5倍。

③非晶合金铁芯饱和磁密低。

④非晶合金铁芯材料对机械的应力极为敏感，任何形式的张引力或者弯曲应力都会对其磁性能产生影响。

⑤非晶合金的磁致伸缩程度约比硅钢片高出10%，而且不宜过度夹紧。同时，非晶合金还具有高饱和磁感应强度、低损耗、低激磁电流、低矫顽力以及良好的温度稳定性等诸多特点。

2.非晶合金的剪切断裂规律

由于非晶合金材料内部结构的长程无序特点，使其在宏观上表现出各项同性特征，因此它的力学特点往往不同于金属晶体材料，不存在晶界、位错和晶体学取向效应，即不能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，非晶合金材料在什么样的力学条件下会发生剪切变形并随之断裂，是材料学者都很关心的一个问题。为此，有学者专门设计了单向拉伸和压缩力学性能试验，随后观察并且比较了剪切带的形成，从而获得了一些有价值的结论。试验中通过对一系列的Zr基非晶合金进行拉伸和压缩，发现同一成分的非晶合金在拉伸荷载下发生了脆性剪切而断裂，剪切断裂面与拉伸轴的夹角约为56°。我们上文提到非晶合金有各项同性的特征，根据经典的屈特加准则，非晶合金在拉伸或压缩荷载作用下产生的剪切断裂应发生在最大的剪切应力面上，即剪切断裂角应该表现为一致性的45°才对。因此，很显然上述试验的结果表明了非晶合金的剪切断裂并不服从屈特加准则。同时，我们知道非晶合金如Zr基非晶合金其断裂强度极高，通常可到达1.5～2.0 GPa。如此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（约0.8GPa），而上述的拉伸、压缩试验结果显示，剪切断裂瞬间法向应力方向刚好相反。由此可见，应当是过高的法向应力影响了非晶合金断裂瞬间剪切面的取向，才使得它的拉伸和压缩剪切断裂角表现出了明显的差别。如果要使拉伸剪切断裂瞬间法向应力促进剪切断裂，则需要将剪切面从45°位置向大于45°的方向进行偏转。

3.非晶合金的塑性变形与动态断裂

3.1.塑性形变

以Zr、Pd或Au基的非晶合金为例，在常规的高度H与直径D比值为2：1的情况下，其材料样品受单向压缩载荷作用时往往表现出剪切变形和断裂。当选择不同的H、D比值进行试验时，结果发现随着H、D比值的降低，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，样品都是以剪切形式断裂，剪切断裂角约为40度。在选择H、D比值为2：3的样品进行测试时，发现其表面只是出现了相互交叉的剪切带，并未破坏，其中剪切带与应力轴的夹角约为46°，这是由于高压缩塑性变形后发生了剪切带的旋转的结果。而当H、D比值为1：4时，则发现非晶合金的屈服强度教之前有了明显的提高。同时，其应力-应变曲线表现出了明显的“加工硬化”现象。

3.2.动态断裂

Fe，Mg和Co基的非晶合金在压缩荷载力的作用下通常不会出现剪切断裂情况。而一些Zr，Cu和Ti基的非晶合金样品，在经过一定温度的退火处理后，也会出现断裂成几个部分的情况。特别是样品在铜模喷注条件下，厚度小于2mm时，便会以剪切断裂的形式发送压缩性破坏；若其厚度大于2mm，同时压缩破坏不是纯粹的剪切力，则一般会出现劈裂，即使偶尔发生剪切断裂，样品的断裂路径也会出现粗糙不平的现象。另外，对于原位析出枝晶钛基合金复合材料而言，在压缩载荷里的作用下，也并不总是以纯剪切方式断裂。当主裂纹的走势在样品中间，并且有沿平行于应力轴方向扩展的趋势时，则会出现完全的劈裂失效，这是因其内部的微观组织所决定的。

传统的解理断裂相关理论中通常会认为，晶体、氧化物或脆性材料在发生解理断裂，其断裂表面一般是非常光滑的。例如硅晶体，其表面光滑区被称之为镜面区。而当解理裂纹扩展开来以后，光滑区域遭到破坏，开始出现不稳定从而形成断裂台阶。裂纹所出现的断裂且稳定性差的区域被称作粗糙区，该区域内会出现粗糙的像河流花样一般的断裂解理台阶。一般，我们认为动态裂纹在快速扩展过程中发生的动态不稳定性，是促使产生这类粗糙的断裂台阶的主要原因。

结语：非晶合金材料因其独特的性质，如强度、硬度以及塑性等性能都处于晶体材料的极端状态，同时非晶合金材料的微观结构特点又是理想模型材料的最佳选择，因此它在许多重要领域中都有着广泛的应用。而从上文的分析论述中我们也可以发现，对于本质上具有塑性变形能力的韧性非晶合金材料来讲，我们可以通过选择一定比例的合金成分，控制其材料的微观组织，或是通过选择适当的变形方法，从而来提高非晶合金的室温韧性和变形能力。

参考文献：

[1].伍复发，张哲峰.非晶合金的变形与断裂行为[J].中国基础科学，2008年4月。

[2].陆鹏.谈非晶合金材料特点及应用[J]. 科技创新与应用，2011年10月上半月。

[3].徐晓晖.非晶合金材料的变形与断裂问题探讨[J]. 中国化工贸易，2012年8月。

作者简介：

陈志文（1982—），男，汉，江苏高淳，单位：驻成都某军代室，职称：工程师，研究方向：机械制造及其自动化