摘要
相比于传统晶态合金，由于长程无序的原子结构，块体非晶合金具有诸多独特的力学性能，例如高的屈服强度与硬度、大的弹性极限、优异的抗腐蚀性能和耐磨性能等。然而，在室温准静态拉伸的载荷下，由于高度局域化剪切带的形核并快速扩展，块体非晶合金通常表现为灾难性的脆性断裂。为了改善这一限制非晶合金应用于结构工程材料的缺点，近年来在非晶合金基体中引入具有韧性的晶体第二相来阻碍主剪切带的快速扩展以及促使多重剪切带的形成，制备出晶体相增韧的内生非晶复合材料。 (1) Ti50Zr20V10Cu5Be15 (atom %) 内生树枝晶增韧的钛基非晶复合材料表现出优异的拉伸塑性和明显的加工硬化能力。通过对变形过程微观结构的分析，建立起内生树枝晶增韧的非晶复合材料的位错塞积模型，解释了非晶复合材料在屈服阶段的变形机制。树枝晶在变形前后的硬度值变化、加卸载拉伸测试中的硬化效应和透射电镜分析结果验证了此位错塞积模型的合理性。根据此位错塞积模型，推导出非晶复合材料中屈服强度与树枝晶平均晶粒尺寸负二分之一次幂成线性关系的类霍尔-佩奇(类Hall-Petch)关系。此关系在多种体系的内生非晶复合材料中都得到了验证。因此，可以根据树枝晶尺寸准确预测复合材料的屈服强度，并且提出了此模型只适用于由位错滑移机制主导塑性变形的非晶复合材料的限定条件。 (2) 平均场理论被应用于非晶复合材料中，建立起树枝晶尺寸与材料成分关系。对不同成分复合材料中大量树枝晶枝晶臂直径进行统计，其累计概率密度分布规律由两部分函数关系组成，分别为幂律分布与指数衰减分布。选定成分参数，ξ-Ti+Zr/Be(atom%)，并引入平均场理论中，对不同成分复合材料中树枝晶尺寸的累计概率密度分布归一化处理，便得到此非晶复合材料体系下树枝晶尺寸临界值与成分参量的定量关系。由此，通过材料的成分，便可以预测树枝晶的尺寸，进而结合类Hall-Petch关系可以准确快速预测非晶复合材料的屈服强度。 (3) 非晶复合材料制备过程中的冷却速率是影响树枝晶尺寸的关键因素。铜模型腔尺寸(样品尺寸)越大，冷却速率越低。对同一成分非晶复合材料制备出不同样品尺寸的样品，并利用平均场理论建立起树枝晶尺寸与样品尺寸关系。将样品尺寸引入平均场理论中，对不同样品尺寸的复合材料中树枝晶尺寸的累计概率密度分布归一化处理，便得到此非晶复合材料体系下树枝晶尺寸临界值与样品尺寸的定量关系。结合类Hall-Petch关系，亦可以对不同样品尺寸的非晶复合材料的屈服强度进行精准快速预测。 本课题研究了树枝晶增韧的非晶复合材料在屈服时的变形机制，构建出组织-屈服的定量关系。利用平均场理论进行大数据统计分析，构建出成分/样品尺寸-微观组织结构的定量关系。从而可以通过成分设计与样品尺寸设计，来调控树枝晶增韧的非晶复合材料的屈服强度。
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