非晶合金斷口形貌演化機理的研究進(jìn)展?

王旭陽，黎明燦

(新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

非晶合金具有獨特的短程有序、長程無序結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)晶體合金材料相比，無序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致非晶合金物理性質(zhì)顯著變化，如高硬度、高強度以及超過2%的高彈性變形等優(yōu)異性能[1]．比如，F(xiàn)e41Co7Cr15Mo14C15B6Y2等成分的強度可達(dá)3～4 GPa[2]，Zr55Cu30Ni5Al10等典型鋯基塊體非晶合金的強度也可以達(dá)到2 GPa左右[3]，鈷基塊體非晶合金中的Co55Ta10B35甚至可達(dá)6 GPa[4]．然而，非晶合金的塑性卻很差，常溫拉伸幾乎沒有延展性，表現(xiàn)出災(zāi)難性的脆性斷裂，這種脆斷行為極大地限制了非晶合金的應(yīng)用范圍．在近幾年的研究中，研究者嘗試通過不同的手段來改善和解決這一難題[5-16]．典型的方法有：（1）開發(fā)具有較大塑性的新成分，如Liu等[10]在2007年基于彈性模量理論，通過成分優(yōu)化，在Zr-Cu-Ni-Al系列塊體非晶合金中獲得了高達(dá)160%的室溫超塑性；我們在前期工作中也通過成分調(diào)控，制備出常溫下壓縮塑性高達(dá)15.4%的鐵基非晶合金[12]．（2）結(jié)構(gòu)回春處理進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，如Zhu等[11]對一種鋯基塊體非晶合金進(jìn)行了不同次數(shù)的周期性冷熱循環(huán)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，非晶合金的塑性先增加后下降．這說明在合適的冷熱循環(huán)條件下，非晶合金的塑性會有一定的改善；在本課題組的相關(guān)工作中，通過控制冷熱循環(huán)上限溫度的方法，成功將Fe80P13C7塊體非晶合金的塑性由鑄態(tài)的1.7%提升到循環(huán)后的5.4%[13]；并通過對不同成分鐵基塊體非晶合金進(jìn)行冷熱循環(huán)處理，揭示了冷熱循環(huán)溫度區(qū)間對鐵基非晶合金塑性改性的一般性影響規(guī)律[14]．（3）表面預(yù)處理，如Fu等[15]通過噴丸處理，成功將非晶合金的塑性由0.22%提升至處理后的1.48%；Zhang等[8]通過控制殘余應(yīng)力提升塑性；Ketov等[7]通過非仿射熱應(yīng)變使非晶合金塑性提升．上述方法在非晶合金的塑性改性方面都取得了一定的效果，但是非晶合金脆性斷裂的機理依然不夠明確．

在對非晶合金斷裂行為的進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，不同基體非晶合金的斷裂行為并非都是純粹的脆性斷裂．Falk[17]在分子動力學(xué)（Molecular Dynamics,MD）模擬中通過壓縮原子間相互作用的Lennard-Jones勢，得到非晶合金兩種完全不同的斷裂行為，一種是保持了原子尺度尖銳的脆性斷裂，斷裂過程的能量釋放主要用于形成新的表面，而另一種則是由于剪切帶激活而誘導(dǎo)的韌性斷裂，裂紋尖端出現(xiàn)明顯鈍化現(xiàn)象，斷裂能量主要用于黏性耗散．在單軸拉伸載荷下，非晶合金無塑性，但是斷口形貌特征很豐富，不同體系非晶合金的斷裂韌度差異很大，有些屬于韌性非晶合金，有些屬于脆性非晶合金，甚至同一成分，通過調(diào)控溫度、結(jié)構(gòu)弛豫、改變應(yīng)變速率等實驗條件也會出現(xiàn)不同的韌性或脆性行為．除了成分，微觀組織也影響著非晶合金材料的韌脆性，比如韌性非晶合金通過結(jié)構(gòu)弛豫[18-20]、降低溫度環(huán)境[20]或提升應(yīng)變速率[21]等也表現(xiàn)出和脆性非晶合金類似的脆性斷裂行為．脆性非晶合金的斷裂主要受解理裂紋而非剪切帶主導(dǎo)，在拉伸時表現(xiàn)出正斷行為，而在壓縮時出現(xiàn)劈裂或破碎性斷裂，韌性非晶合金斷裂通常受剪切帶的影響，斷裂韌性往往較大[22-23]，同時由于剪切帶的加工軟化，材料無拉伸塑性[24]．韌性非晶合金斷裂時，剪切面受正應(yīng)力影響很大，拉應(yīng)力促進(jìn)剪切變形和斷裂，壓應(yīng)力抑制剪切變形和斷裂，因此通常表現(xiàn)為壓縮強度大于拉伸強度[25-26]．?dāng)嗫谔卣餮莼ǔＪ茄芯拷饘俨牧鲜C理的有效手段，與晶態(tài)合金相比，非晶合金表現(xiàn)出了極其豐富和復(fù)雜的斷裂行為，其中一個典型表現(xiàn)就是斷裂形貌可呈現(xiàn)從微米脈絡(luò)紋理、亞微米韌窩到納米周期條紋的跨尺度多樣性，且這種斷口特征尺寸與合金本身的斷裂韌性密切相關(guān)．事實上，在對非晶合金斷口形貌的進(jìn)一步觀察中證實了上述兩種不同的斷裂形式．研究發(fā)現(xiàn)，對于脆性的塊體非晶合金，其斷口形貌以周期性的納米條紋為主，而韌性塊體非晶合金的斷口形貌，則往往會出現(xiàn)脈狀花樣，兩種形貌有著明顯的區(qū)別，而其背后所隱藏的具體的斷裂機理及物理本質(zhì)也有著極其重要的意義．上述結(jié)果表明，非晶合金的斷裂機理極其復(fù)雜且與斷口形貌密切相關(guān)，對斷口形貌的演化機理深入研究，有助于揭示塊體非晶合金的斷裂機理，進(jìn)而促進(jìn)對塊體非晶合金的力學(xué)性能的調(diào)控及解決其災(zāi)難性斷裂問題．

1 斷口形貌及其形成機理

不同基體的非晶合金斷口形貌之間存在很大差異，如以鐵基、鎂基等脆性基體的塊體非晶合金與以鋯基、銅基等為代表的韌性基體塊體非晶合金的斷口形貌之間具有很大差異，在壓縮載荷下脆性體系非晶合金體系斷口會形成類似“貝殼狀”花樣（如圖1a）[27]，其本質(zhì)還是周期性納米級條紋，韌性非晶合金體系則是脈狀花樣（如圖1b）[27]；在拉伸載荷下韌性非晶合金體系斷口形貌為河流脈狀花樣（如圖2a）[28]，而脆性非晶合金體系在拉伸載荷下通常形成規(guī)則的以周期性納米條紋為主的斷口形貌（如圖2c）[29]．本課題組在實驗中發(fā)現(xiàn)了一種同時具有兩種形貌特征的過渡態(tài)斷口形貌，其既具有明顯的脈狀花樣特征，同時在其局部放大區(qū)可以看到周期性納米條紋的存在（如圖2b）[21]，這種特殊的形貌我們命名為亞微米韌窩形貌，其很可能是非晶合金韌性和脆性狀態(tài)的臨界情況．

圖1 壓縮載荷下的斷口形貌[27]

圖2 拉伸載荷下的斷口形貌

這些獨特的斷口形貌到底是如何形成的？它們與材料的力學(xué)性能之間存在怎樣的關(guān)聯(lián)？通過對不同形貌的演化機理進(jìn)行深入研究，有望讓我們在了解斷口形貌形成機理和內(nèi)在原因的同時，更好地認(rèn)識非晶合金韌脆性和斷口形貌的聯(lián)系．此外，對于這種特殊的過渡態(tài)亞微米韌窩形貌的研究，對進(jìn)行塊體非晶合金的韌脆性能調(diào)控也具有重要意義．

1.1 脆性非晶合金斷口形貌――周期性納米條紋

脆性非晶合金（鐵基、鎂基、鈣基等）室溫斷裂后與韌性非晶合金相比，具有光滑的截面，類似于傳統(tǒng)脆性材料的解理斷裂．但是，在高倍數(shù)的掃描電鏡下，發(fā)現(xiàn)脆性非晶合金的斷口形貌并非是想象中的光滑表面，而是由一種周期性的，具有一定規(guī)則的條紋組成，這些條紋的間距通常在幾十個納米．2005年Lewandowski等[22]通過大量數(shù)據(jù)論證認(rèn)為，決定本征塑性或脆性的因素與原子間勢不存在相關(guān)性，但與彈性剪切模量與體模量的比值有相關(guān)性．2006年Xi等[30]研究了脆性塊狀非晶合金中的動態(tài)裂紋擴(kuò)展．發(fā)現(xiàn)沿非晶合金的裂紋表面存在納米尺度的平面外周期性波紋．在不同的加載速率下，納米尺度的周期性幾乎保持不變，并解釋了納米尺度腔沿裂紋表面的演化和周期性的合并解釋，揭示了脆性材料中動態(tài)斷裂表面粗糙化的起源．Pan等[29]認(rèn)為脆性塊體非晶合金的斷裂受黏性流動和韌性斷裂機制的控制，周期性條紋的間距尺寸與宏觀斷裂韌性有關(guān)．2007年Wang等[31]在脆性大塊非晶合金的動態(tài)斷裂表面觀察到納米級周期性波紋，斷裂韌性接近硅玻璃．利用基于半月板不穩(wěn)定性和塑性區(qū)理論的模型來解釋這種動態(tài)裂紋不穩(wěn)定性．結(jié)果表明，裂縫中的局部軟化機制是控制獨特波紋形成的重要因素．2008年Wang等[32]進(jìn)一步提出非晶合金的各種分形表面的形成與流體半月板的不穩(wěn)定性有關(guān)，這是由于斷裂過程區(qū)存在黏性流體物質(zhì)造成的．根據(jù)流體半月板初始擾動的波長值和局部應(yīng)力強度因子，形成不同的斷裂面輪廓，即凹狀結(jié)構(gòu)、周期性波紋和純鏡面帶．施加應(yīng)力也對分形演化有顯著影響．2015年Sun等[33]對塊體非晶合金斷裂的各個方面進(jìn)行了全面的研究，包括斷裂行為和特征、斷裂模式、斷裂準(zhǔn)則、斷裂韌性和斷裂形態(tài)．給出了積累的非晶合金斷裂的實驗數(shù)據(jù)，并討論了它們與連續(xù)斷裂力學(xué)和原子尺度過程的理論聯(lián)系．回顧了用各種計算方法對非晶合金斷裂的建模研究．2017年Jiang等[34]提出的拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)模型，對脆性非晶合金的周期性納米條紋斷口形貌產(chǎn)生提供了新思路，但仍需實驗上的證明．2021年Shen等[35]建立了玻璃斷裂的空化機制，表明裂紋在各種玻璃中的擴(kuò)展主要是由納米腔的自組織成核、生長和聚結(jié)決定的，最終導(dǎo)致斷裂表面的納米圖案．由此揭示的空化誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)斷裂形態(tài)，證實了在名義上脆性玻璃斷裂中存在納米尺度的延展性．

Sun等[33]系統(tǒng)地研究了不同體系脆性非晶合金斷口上納米級周期性條紋的特征，結(jié)果表明，合金體系、樣品尺寸及加載速率對周期性條紋幾乎沒有影響，條紋的間距一般在60～80 nm、寬帶在10～20 nm、高度在5～10 nm．此外，Xi等[30]指出，在1～10 mm/min的加載速率下，利用單邊缺口三點彎曲實驗得到的脆性鎂基非晶合金斷口表面的周期性幾乎不變，這進(jìn)一步驗證了應(yīng)變速率對脆性非晶合金的周期性條紋的波動周期影響不大，同時他們還發(fā)現(xiàn)在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下高溫退火后材料斷口形貌的周期性也無明顯變化，說明殘余應(yīng)力對波紋層也無影響．

那么，脆性非晶合金這種獨特的周期性納米條紋到底如何形成的呢？Zhang等[36]指出，壓縮斷裂的鐵基非晶合金樣品的斷口形貌一般存在鏡面區(qū)、霧狀區(qū)和形貌特征復(fù)雜的“羽毛區(qū)（鋸齒區(qū)）”．鏡面區(qū)大概有1 000 μm，可以清楚地看到幾乎相同高度的周期性尖銳邊緣或臺階（鈍化的邊緣表現(xiàn)出納米級峰對峰的“酒窩”狀特征結(jié)構(gòu)）．這說明鐵基非晶合金斷口形貌在原子尺度上并非平坦和光滑的，而是存在周期性納米級漣漪，裂紋擴(kuò)展方向垂直于這些條紋．進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)周期性條紋出現(xiàn)在樣品邊緣的40 μm處，同時，這種周期性條紋的波長并非一成不變，而是由開始出現(xiàn)時的15 nm增大到最大值52 nm，然后再持續(xù)減小，這也證明了脆性非晶合金和傳統(tǒng)意義上的脆性材料的斷裂有著很大的不同．傳統(tǒng)脆性材料如單晶硅、二氧化硅玻璃等，在動態(tài)載荷下的動態(tài)斷裂表現(xiàn)出霧區(qū)以及“羽毛區(qū)”，但在原子尺度上仍是光滑的．在非晶合金中，這種動態(tài)斷裂則表現(xiàn)在低速開裂時的鏡面區(qū)，同時因非晶材料的超彈性性質(zhì)，在斷裂發(fā)生前吸收了大量的彈性能，由于脆性材料單位表面能恒定，而非晶合金在結(jié)構(gòu)上又是各向同性的，因此在任何平面上的臨界斷裂應(yīng)力和斷裂表面能是一樣的．所以，當(dāng)非晶合金處于低速斷裂期，為了將儲存的彈性能盡快釋放出去，開裂速度會不斷增加，當(dāng)達(dá)到一個臨界速度，裂紋以彎曲的路徑傳播，以消耗更多的表面能．由此，產(chǎn)生了鏡面區(qū)的周期性納米條紋，隨著開裂速度的增大，裂紋傳播路徑開始變得不穩(wěn)定，裂紋尖端前部產(chǎn)生多個微分支，形成了霧區(qū)，當(dāng)開裂速度進(jìn)一步增加，微分支擴(kuò)展成更大微尺度的分支，形成所謂的“羽毛區(qū)”，如圖3所示[36]．

圖3 動態(tài)裂紋擴(kuò)展的三個典型區(qū)域，即鏡面、霧和“羽毛”區(qū)[36]

對于脆性非晶合金，納米級“酒窩”結(jié)構(gòu)和納米周期性條紋主導(dǎo)著斷裂表面[37]，周期性條紋即使在納米級尺度下，也是光滑的尖銳邊界和凹槽．然而，無論是發(fā)生鈍化的“酒窩”結(jié)構(gòu)還是周期性納米條紋，都揭示了原始的裂紋源與局部的塑性流動[32]，而兩種型腔也意味著“空穴化”主導(dǎo)了脆性非晶合金裂紋的長大與延伸．Shen等[35]基于自主設(shè)計的傾斜壓痕斷裂方法，結(jié)合原子力顯微技術(shù)實現(xiàn)了對非晶合金裂紋擴(kuò)展的高精度測量，在國際上首次實驗觀測到非晶合金裂紋尖端的空穴化，揭示出空穴主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展機制，呈現(xiàn)了以納米孔洞形核、長大、連接、有序進(jìn)行的裂紋擴(kuò)展方式．同時Jiang等[34]的拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)模型也為空穴化提供了理論支持，非晶合金的正應(yīng)力效應(yīng)和壓力敏感性就源于局部的剪脹作用．在裂紋尖端，由于剪脹作用，局部體積發(fā)生顯著變化，受到類似于靜水應(yīng)力驅(qū)使原子集團(tuán)運動，產(chǎn)生空穴，此過程由“拉伸轉(zhuǎn)變區(qū)（Tension Transformation Zone,TTZ）”主導(dǎo)，隨后由于微弱的塑性流動，裂紋尖端和孔洞相連，導(dǎo)致裂紋的長大，因此脆性非晶合金斷裂就源于裂紋尖端成核主控的納米尺度的空穴化，原子尺度密度的漲落產(chǎn)生應(yīng)力集中，超過孔洞化臨界應(yīng)力，從而不斷激活原子集團(tuán)的TTZ體脹運動．而在不同非晶合金中，TTZ是否被激活與裂紋尖端的半徑有很大關(guān)系，當(dāng)裂紋尖端半徑小于某臨界值時，應(yīng)力集中將超過孔洞化的臨界應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生體脹運動，產(chǎn)生空穴，在局部塑性流動下，裂紋尖端與空穴相連；在應(yīng)力進(jìn)一步集中后，尖端再次產(chǎn)生新的空穴，如此反復(fù)，裂紋不斷擴(kuò)展，最終形成了周期性納米條紋[37]．

脆性非晶合金周期性納米條紋形貌的形成機制：脆性非晶合金斷裂是源于材料內(nèi)部的局部塑性流動產(chǎn)生的失穩(wěn)，不同非晶合金由于表面張力和剪切模量的不同，導(dǎo)致其特征曲率的不同，當(dāng)特征曲率小于一個臨界值，則導(dǎo)致當(dāng)應(yīng)力的集中超過產(chǎn)生孔洞化的臨界應(yīng)力，在剪脹的作用下，產(chǎn)生空穴．隨著空穴的不斷產(chǎn)生和彼此聯(lián)合，裂紋不斷長大，而在應(yīng)力場的作用下，誘導(dǎo)了相鄰條紋周期性排布，最終形成周期性納米條紋．而納米級“酒窩”的出現(xiàn)，則由于裂紋擴(kuò)展速度的不斷增加導(dǎo)致其傳播路徑變得不穩(wěn)定，同時更多的彈性能以黏性耗散的方式釋放，產(chǎn)生的鈍化現(xiàn)象，最終形成“酒窩”狀結(jié)構(gòu)．

1.2 韌性非晶合金斷口形貌――脈狀花樣

韌性非晶合金所呈現(xiàn)的脈狀斷口形貌，早在1972年便被觀察到[38]，拉伸斷裂樣品斷口除了一些無明顯特征的平滑區(qū)，便是典型的脈狀花樣結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是高硬化速率的塑性剪切變形．?dāng)嗔寻l(fā)生在最大剪切應(yīng)力面，斷裂前有高達(dá)40%的塑性剪切應(yīng)變，同時裂紋擴(kuò)展伴隨著局部的溫升以及孔隙、裂縫之間的黏性流動連接，這種黏性流動是由局部應(yīng)變濃度變化引起，而斷裂是由宏觀“絕熱”剪切引起．在1975年P(guān)arnpillo[39]提出這種類型的斷裂樣貌是由于塑性流動產(chǎn)生的絕熱溫升，同時反過來又影響了局部變形，如在脈狀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的縮結(jié)，而不是“裂紋”，被認(rèn)為是裂紋尖端應(yīng)力狀態(tài)的變化和兩個前進(jìn)的偽裂紋接近碰撞時發(fā)生的吸熱條件差的結(jié)果．而形成的圓形尖端細(xì)絲，很可能是通過黏性流動導(dǎo)致．2003年Zhang等[28]提出韌性非晶合金拉伸斷裂首先由法向應(yīng)力引起的輻射核引起，然后主要在剪應(yīng)力的驅(qū)動下傳播，形成組合斷裂特征．相比之下，非晶合金的壓縮斷裂主要由剪應(yīng)力控制．2008年Meng等[40]提出了一種基于斷裂面能量耗散和空隙增長的模型來表征高速沖擊下韌性非晶合金斷裂由脈狀花樣擴(kuò)展到裂紋擴(kuò)展方向的明顯分紋演化模式的轉(zhuǎn)變．發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋的動態(tài)擴(kuò)展速度達(dá)到瑞利波速度的臨界分?jǐn)?shù)時，裂紋就會出現(xiàn)不穩(wěn)定性，裂紋微分支繼續(xù)進(jìn)行．此外，還揭示了非晶材料的臨界速度與其楊氏模量等固有強度之間的關(guān)系．2010年Qu等[41]設(shè)計了具有不同缺口角度的鋯基非晶合金的傾斜缺口拉伸試樣，以獲得不同的應(yīng)力狀態(tài)．首次提出了一些新的參數(shù)來描述非晶合金試樣的拉伸斷裂面．統(tǒng)計分析表明，應(yīng)力狀態(tài)對斷裂面特征有顯著影響．通過對拉伸變形過程中的結(jié)構(gòu)和熱演化的討論，發(fā)現(xiàn)熱軟化和缺陷弱化的兩種損傷機制對非晶合金的拉伸斷裂有共同作用．2012年Deibler等[42]為了模擬塊體非晶合金在低溫或高應(yīng)變率下的斷裂形態(tài)，進(jìn)行了模型實驗．研究了試樣幾何形狀、應(yīng)力狀態(tài)和外部壓力對模型油脂系統(tǒng)斷裂面特征的影響．結(jié)果表明，裂縫面特征尺寸隨黏性層黏度的增大而減?。?016年Qu等[43]用非晶合金實驗驗證了定量預(yù)測失效的能量準(zhǔn)則的有效性．廣義能量準(zhǔn)則揭示了剪切和解理之間的競爭和相互作用，這兩種基本的內(nèi)在失效機制，從而為材料和結(jié)構(gòu)成分的失效預(yù)測提供了新的物理見解．

Zhang等[28]在對韌性非晶合金Zr59Cu20Al10Ni8Ti3的斷裂行為進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，壓縮斷裂面主要由脈狀結(jié)構(gòu)組成（見圖1b）．而在拉伸斷裂表面觀察到葉脈和一些輻射核心的聯(lián)合特征（見圖2a）．在此基礎(chǔ)上，考慮法向應(yīng)力對斷裂過程的影響，討論了非晶合金的斷裂機理．提出了拉伸斷裂首先由法向應(yīng)力誘導(dǎo)的輻射核心引起，然后主要在剪應(yīng)力的驅(qū)動下傳播，形成了組合斷裂特征．相比之下，非晶合金的壓縮斷裂主要由剪應(yīng)力控制．非晶合金的壓縮斷裂過程如圖4(a)和(b)所示，在壓縮加載模式下正應(yīng)力總是施加在斷裂面上．因此，非晶合金的斷裂過程應(yīng)主要由剪切應(yīng)力來控制，如圖4(b)所示，斷口上均勻排列的脈狀結(jié)構(gòu)為這一假設(shè)提供了直接證據(jù)．但是，非晶合金的拉伸斷裂過程與壓縮斷裂時不同，因為核心總是出現(xiàn)在整個斷裂表面．圖5(a)顯示了由法向應(yīng)力引起的核心形貌成核的初始階段．一旦這些核心形成，它們將在剪應(yīng)力的作用下迅速向外傳播，并相互連接，如圖5(b)所示，核心的快速傳播導(dǎo)致了災(zāi)難性的斷裂，并形成了核心和脈狀組合的河流脈狀花樣，如圖5(c)所示．從韌性非晶合金在拉伸載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線中可以觀察到，整個加載過程中無塑性階段，屈服應(yīng)力與拉伸變形條件下的斷裂應(yīng)力相等，說明非晶合金的屈服、主剪切帶的形成和斷裂同時發(fā)生．但在壓縮載荷作用下，材料的屈服應(yīng)力略低于壓縮載荷下的斷裂應(yīng)力并表現(xiàn)出一定的塑性階段，這在此前探究應(yīng)變速率對非晶合金屈服強度影響的工作中有所體現(xiàn)（如圖6所示）[44]．因此壓縮載荷下的變形和斷裂過程可分為三個階段：（1）剪切帶的形成和樣品的屈服；（2）剪切帶的擴(kuò)展、捕獲與增殖，該階段對應(yīng)于非晶合金的塑性變形；（3）沿次生剪切帶的局部斷裂和沿主剪切帶的最終斷裂．法向的壓縮應(yīng)力可以抑制剪切帶的激活和非晶合金的斷裂，從而導(dǎo)致剪切帶的擴(kuò)展和新剪切帶的形成．這一過程反過來又增加了激活剪切帶和非晶合金的斷裂所需的應(yīng)力，這意味著在壓縮載荷下非晶合金的塑性變形過程中可能會有一定的應(yīng)變硬化，這也解釋了壓縮載荷下，斷裂應(yīng)力大于屈服應(yīng)力的情況．

圖4 非晶合金在壓縮變形作用下的斷裂過程

圖5 非晶合金在拉伸變形作用下的斷裂過程

圖6 室溫下的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

因此，非晶合金變形和斷裂過程的差異主要歸因于加載方式的不同，斷裂表面的觀測結(jié)果揭示了壓縮載荷和拉伸載荷的差異引起斷裂機制的不同．在壓縮載荷作用下，斷裂面僅具有相當(dāng)均勻的脈狀結(jié)構(gòu)．然而，在拉伸斷裂表面上可以觀察到靜脈和一些核心的聯(lián)合斷裂特征．非晶合金斷裂機理的差異歸因于法向應(yīng)力對斷裂過程的影響．即拉伸斷裂表面的輻射核心是由斷裂初期的法向應(yīng)力誘導(dǎo)的，脈狀結(jié)構(gòu)主要是由快速剪切傳播過程中的剪切應(yīng)力產(chǎn)生的．由于法向應(yīng)力對斷裂過程的影響不同，壓縮斷裂角通常小于45?，而拉伸斷裂角通常大于45?．

2010年，Qu等[41]通過模型實驗和力學(xué)實驗，揭示了斷裂形貌的發(fā)展和應(yīng)力狀態(tài)的影響．設(shè)計了具有不同缺口角度的鋯基非晶合金的傾斜缺口拉伸試樣，獲得不同的應(yīng)力狀態(tài)，通過對拉伸斷裂形貌的研究，提出了考慮應(yīng)力狀態(tài)效應(yīng)的四個參數(shù)，即光滑區(qū)域的大小、核心的密度、核心的平均尺寸和脈脊尖間距．對傾斜缺口拉伸樣品的斷裂形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計分析，揭示了應(yīng)力狀態(tài)的顯著影響．結(jié)果表明，剪應(yīng)力和法向應(yīng)力對材料的拉伸變形和斷裂行為都起著重要作用．進(jìn)一步討論剪應(yīng)力和法向應(yīng)力對斷裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)熱和缺陷兩個因素應(yīng)該是拉伸斷裂的控制因素．當(dāng)非晶合金在拉伸載荷下屈服時，主要剪切帶發(fā)生塑性變形．隨著剪切偏移量的增加，熱量在結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)展時積累，最終演變?yōu)槲⒘鸭y．熱量的積累和缺陷的發(fā)展都會造成材料失穩(wěn)．當(dāng)滿足臨界條件時，試樣發(fā)生斷裂，形成斷裂形態(tài)．在斷裂表面觀察到的光滑區(qū)域與斷裂時刻的剪切偏移相關(guān)，即臨界剪切偏移．脈芯是斷裂前剪切帶中存在的微裂紋．2016年Qu等[43]用非晶合金實驗驗證了定量預(yù)測失效的能量準(zhǔn)則的有效性．廣義能量準(zhǔn)則揭示了剪切和解理之間的競爭和相互作用，這兩種基本的內(nèi)在失效機制，為材料和結(jié)構(gòu)成分的失效預(yù)測提供了新的物理見解．

因此，對于韌性非晶合金的斷裂，由于自由體積含量高于脆性非晶合金，在載荷作用下，局部的塑性流動易在自由體積富集區(qū)或一些缺陷處優(yōu)先發(fā)生，同時，加載方式的不同也導(dǎo)致變形和斷裂過程存在差異．在壓縮載荷下，正應(yīng)力施加在樣品上，此時斷裂行為由切應(yīng)力主導(dǎo)，在自由體積富集區(qū)和缺陷處發(fā)生局部塑性流動，表面張力和剪切模量的不同導(dǎo)致特征曲率的不同，當(dāng)特征曲率大于臨界值，材料發(fā)生彎月失穩(wěn)，隨著剪切帶的激活和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生和材料的斷裂，形成脈狀斷口形貌；在拉伸載荷作用時，受法向應(yīng)力的影響，在自由體積富集區(qū)和缺陷處，局部塑性流動形成核心，然后在剪應(yīng)力的驅(qū)動下傳播，形成了核心和脈狀花樣組合的河流狀斷口形貌．

1.3 過渡態(tài)斷口形貌――亞微米韌窩

在對斷口形貌的進(jìn)一步探索中，本課題組在實驗中發(fā)現(xiàn)了一種同時具有兩種典型形貌特征的過渡態(tài)形貌，其既具有明顯的脈狀花樣特征，同時在其局部放大區(qū)可以觀察到周期性納米條紋的存在，這種特殊的形貌我們命名為亞微米韌窩形貌，并判斷其很可能是非晶合金材料處于韌性和脆性的臨界情況．對于類似形貌的介紹，在一些裂紋動態(tài)擴(kuò)展和韌脆轉(zhuǎn)變的相關(guān)文獻(xiàn)中常有報道，但是很少有對這種形貌的具體定義和解釋．例如2008年Wang等[32]對脆性鎂基非晶合金的裂紋尖端不穩(wěn)定性研究中，就發(fā)現(xiàn)了周期性條紋和韌窩的混合形貌，并認(rèn)為這種形貌存在于裂紋快速擴(kuò)展失穩(wěn)的“霧區(qū)”；Meng等[40]在探索鋯基非晶合金的動態(tài)斷裂不穩(wěn)定性中，利用平板沖擊實驗也觀察到了典型的脈狀形貌到“酒窩”狀形貌，最后過渡到周期性納米條紋結(jié)構(gòu)，這種“酒窩”狀形貌可看成鈍化的周期性條紋和脈狀結(jié)構(gòu)的混合形貌．在低溫誘導(dǎo)非晶合金由韌轉(zhuǎn)脆的相關(guān)工作中，也有類似形貌的出現(xiàn)，如Li等[45]在鋯基非晶合金的低溫單軸拉伸實驗中發(fā)現(xiàn)，樣品斷裂角隨溫度的降低而變大，最終接近90?正斷，而斷口形貌也由韌性非晶合金典型的河流脈狀花樣，轉(zhuǎn)變?yōu)閬單⒚椎陌伎?，最終過渡為接近納米條紋的納米級凹痕；2014年Jiang等[46]通過降低環(huán)境溫度觀察到了斷口花樣由典型脈狀花樣轉(zhuǎn)變?yōu)閬單⒚椎目锥椿蛘咧芷谛詶l紋，并證實了低溫下非晶合金材料通過空化而非剪切斷裂，由剪切主控轉(zhuǎn)變?yōu)槔熘骺氐慕饫頂嗔眩@說明溫度是影響非晶材料斷裂的重要因素，低溫環(huán)境誘導(dǎo)了非晶材料的脆化，斷口形貌由韌性脈狀向脆性的周期性納米條紋轉(zhuǎn)變，其中特殊的亞微米韌窩結(jié)構(gòu)經(jīng)常被觀察到，但沒有作明確的定義和解釋．

在前期研究工作中[21]，我們探索了不同程度退火以及應(yīng)變速率的變化對非晶合金斷裂行為的影響．如圖7所示，三組不同程度退火后的樣品“a”“b”“c”在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸（a、b、c）和動態(tài)拉伸（(a)、(b)、(c)）條件下的微觀斷裂形態(tài)，結(jié)果表明，退火導(dǎo)致的樣品內(nèi)部自由體積含量的降低和宏觀加載速率的增加，都會導(dǎo)致鋯基塊體非晶合金斷裂行為由韌性向脆性的轉(zhuǎn)變．同時，我們也在適度退火樣品的沖擊拉伸斷口上觀察到了亞微米尺度韌窩（圖7(b)），并且這種韌窩出現(xiàn)于自由體積含量降低或應(yīng)變速率提升誘導(dǎo)的斷口形貌從微米尺度脈狀花樣向納米尺度周期性條紋轉(zhuǎn)變的中間狀態(tài)．由此可見，自由體積含量和應(yīng)變速率同樣是影響材料變形行為，導(dǎo)致斷口形貌轉(zhuǎn)變的重要因素，韌性向脆性轉(zhuǎn)變的過程也是由STZ（Shear Transformation Zone）主導(dǎo)的剪切斷裂向TTZ主導(dǎo)的解理斷裂的轉(zhuǎn)變．而亞微米韌窩的形成應(yīng)該是STZ和TTZ在一定條件下的交替激活和相互作用產(chǎn)生的，形成了特有的脈狀結(jié)構(gòu)和周期性條紋的混合形式．

圖7 樣品“a”“b”“c”的微觀斷裂形態(tài)

2 總結(jié)與展望

綜上所述，與晶態(tài)合金相比，非晶合金表現(xiàn)出了極其豐富和復(fù)雜的斷裂行為，其中一個典型表現(xiàn)就是斷口形貌可呈現(xiàn)從微米脈絡(luò)紋理、亞微米韌窩到周期性納米條紋的跨尺度多樣性．微米脈絡(luò)紋理和周期性納米條紋已被廣泛研究，其微觀機制相對清楚，宏觀上分別對應(yīng)于非晶合金的韌性和脆性斷裂．但是，亞微米韌窩作為非晶合金韌脆斷裂的臨界轉(zhuǎn)變形貌，其涌現(xiàn)和演化的動力學(xué)機制還缺乏系統(tǒng)深入的研究．通過對以往相關(guān)研究的分析總結(jié)，我們認(rèn)為這種過渡態(tài)的亞微米韌窩斷口形貌除了和材料本身的成分特性有關(guān)外，溫度、應(yīng)變速率、自由體積含量等也是主要影響因素，這些因素也會影響TTZ的激活，進(jìn)而影響這種過渡態(tài)形貌的形成．因此，在未來的研究工作中，深入探索非晶合金在三要素調(diào)控下，亞微米韌窩斷口形貌涌現(xiàn)和演化的動力學(xué)機制，顯得至關(guān)重要也十分迫切．