非晶合金在壓縮和拉伸條件下，形變后樣品表面呈現出剪切帶，而剪切帶的數量和密度反應了非晶合金的塑性應變，剪切帶的交叉反應了剪切帶之間的相互作用。通過快速凝固技術制備的塊體非晶合金，在塑性變形區域，應力-應變曲線通常呈現出鋸齒流變行為。

       由于非晶合金薄帶只有幾十微米， 其冷卻速率遠高于塊體非晶合金，所以非晶合金薄帶的原子結構更接近合金熔體的微觀結構。研究非晶合金薄帶力學性能對進一步研究微觀結構及塑性形變機理具有重要的理論價值。

       合金鑄錠由純金屬元素(純度高于99.9%)混合經電弧熔化，且在氬氣保護環境下進行制備。為保證合金元素在熔煉過程中達到化學均勻，合金鑄錠均反復熔煉4次以上；最后將熔煉好的合金錠放入感應熔爐中的石英管中，通過感應加熱使鑄錠熔化，合金溶液在壓應力作用噴射到高速轉動的單輥銅模上，形成厚度50~100mm薄帶。

       薄帶的相結構采用X射線衍射儀(XRD)在CuKα輻射下進行測試，且儀器運行電壓為30kV。薄帶室溫彎折實驗采用一端固定，另一端用虎鉗夾住，分別進行1次彎折且折斷，3次彎折且折斷和5次彎折且折斷。折斷后樣品采用掃描電子顯微鏡觀察剪切帶和斷口形貌。

圖1:非晶合金薄帶XRD衍射圖和未彎折樣品表面形貌

       圖1(a)所示為快速凝固薄帶的XRD圖，非晶薄帶XRD圖呈現出非晶態漫散射峰，表明薄帶為非晶態。圖1(b)和1(c)為薄帶未彎折SEM圖。圖1(b)與1(c)所示為薄帶中間部位和邊沿部位，可以發現，樣品表面無任何彎折痕跡，并未呈現剪切帶。

圖2:非晶合金薄帶1次折斷后的剪切形貌

      圖2為樣品彎折1次的剪切帶形貌圖。樣品在1次彎折情況下，彎折角近似為 180°，剪切帶受拉應力。

       如圖2(a)所示，白色線條為一次剪切帶，是在拉應力作用下最先形成的剪切帶，而顏色較淺剪切帶為二次剪切帶。離斷口近的部位，主要是一次剪切帶，而離斷口遠的部位主要是二次剪切帶。樣品在彎折過程中，離斷口近的部位，剪切帶首先形成；當彎折角度越大時，離斷口近的一次剪切帶受拉應力越大，并且剪切帶所形成的區域隨彎折角度的增加而增加，離斷口遠的剪切帶是在大彎折角的情況下形成，由于離斷口較遠部位所受拉應力較小，形成剪切帶較淺，即為二次剪切帶。

       圖2(b)可以發現，兩個一次剪切帶之間分布著近似平行的二次剪切帶，這是因為隨著彎折角度增加，兩個二次剪切帶之間所受到拉應力大于剪切帶形成的臨界應力，從而導致二次剪切帶形成。

       圖2(d)為樣品邊緣部分，可以發現，離邊緣越近，剪切痕跡趨于消失，說明離邊緣越近，所受拉應力趨于消失；離邊緣較遠部位，分布著平行剪切帶，且離斷口越遠，剪切痕跡越弱，即受拉應力越弱。

       當多個剪切帶相互平行時，多個剪切帶獨立形核并擴展，剪切帶相互之間作用較弱或者不存在相互作用；當剪切帶相互交叉時，剪切帶相互作用較強。對于1次彎折斷裂，剪切帶只在拉應力作用下，交叉剪切帶較少，說明了剪切帶相互作用較弱，剪切帶之間趨向于獨立形核并擴展。

圖3:非晶合金薄帶3次折斷后的剪切形貌

       圖3所示為薄帶彎折3次斷裂后剪切帶形貌圖。薄帶在3次彎折情況下，第1次剪切帶受壓應力，第2次剪切帶受拉應力，第3次剪切帶在壓應力作用下折斷。

       如圖3(a)所示，離斷口較近的A部位，剪切帶密度較高，而離斷口較遠部位的B區，剪切帶密度較小，與非晶薄帶1次彎折類似。然而，平行剪切帶相對較少，而相互交叉剪切帶相對較多，如圖3(a)和3(b)所示。另外，在圖3(a)和3(b)中，多個剪切帶相互交叉，說明了剪切帶之間相互作用較強；平行剪切帶較少，說明剪切帶之間相互作用較弱，少量剪切帶可以獨立形核或擴展。

       由于薄帶在第1次和第3次彎折情況下，剪切帶受壓應力作用，所以圖3(c)和3(d)呈現出多個剪切帶擠壓變形的情況，當擠壓變形達到一定程度，多個剪切帶被折斷。

圖4:非晶合金薄帶5次彎折斷后剪切帶和斷口形貌

      如圖4(a)和4(b)所示，在離斷口較近的區域，一次剪切帶在多次受力作用下，剪切帶擴展為裂紋；而在圖4(a) 和4(b)中的A區，發現較多的二次剪切帶；而在圖4(b)中的B區，并沒有發現二次剪切帶；另外，剪切帶相互擠壓變形情況也并未發現。

       這是因為彎折次數較多時，拉應力和壓應力相應較小，在拉應力作用下形成剪切帶在較小壓應力作用下達不到擠壓變形；當再次受到較小拉應力作用時，剪切帶進一步擴展，部分剪切帶能夠擴展為裂紋，部分剪切痕跡進一步加深。所以，剪切帶擠壓變形與所受壓應力大小有關。另外，剪切帶相互交叉較少，說明剪切帶在較小拉應力和較小壓應力作用下，剪切帶相互作用較弱。

       圖4(c)和4(d)所示為折斷后斷口形貌。斷口形貌呈現出晶體材料延性斷裂的網狀韌窩形貌，韌窩尺寸范圍為5mm~15mm。在晶體中，韌窩的形成是第二相與基體相互作用的結果。在非晶合金中，并不存在第二相，均為非晶相，而在非晶結構中，存在大量的非晶團簇。

       在非晶相中，韌窩形貌的形成是由于非晶團簇在切應力作用下存在剪切轉變區， 多個剪切轉變區的斷裂即形成了非晶合金的韌窩。

       利用掃描電子顯微鏡對折斷后薄帶的剪切帶及斷口進行觀察，結果表明，1次彎折剪切帶只在拉應力作用下，交叉剪切帶較少，剪切帶相互作用較弱，剪切帶之間趨向于獨立形核并進行擴展；3次彎折剪切帶在交變應力作用下，多個剪切帶相互交叉，剪切帶之間的相互作用較強，且少量的剪切帶可以獨立形核或擴展；5次彎折剪切帶受交變應力，離斷口較近剪切帶部分形成裂紋，剪切帶相互交叉較少，剪切帶相互作用較弱，而在斷口形貌中，發現韌窩。

       韌窩形貌的形成是由于非晶團簇在切應力作用下存在剪切轉變區，多個剪切轉變區的斷裂即形成了非晶合金的韌窩。

來源：鑄造技術 2018年第39卷第8期 李培友《彎折次數對Ti-Cu基非晶合金剪切帶擴展的影響》