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摘要：弹性应力对非晶合金的微观组织演化有重要影响，研究弹性应力对非晶合金的影响是目前人们研究非晶合金力学性能的重点方向之一。研究已经表明弹性应力对非晶合金塑性变形过程中的剪切带空间增值有重要作用，人们已经从不同方面和不同层次研究弹性应力对非晶合金的影响。本文总结了对弹性应力的研究现状，综合阐述弹性应力对非晶合金的微观组织的影响和对非晶合金的力学性能的影响。
关键词：预压缩；微观组织演化；结构无序化；剩余自由体积；力学性能
中图分类号： O3 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
金属非晶合金是目前一个新兴材料，由于它具有良好的力学性能，人们试图想把非晶合金作为结构材料来使用，但是块体非晶和金在室温下几乎没有塑性，这样作为工程结构材料就容易造成灾难性事故。非晶合金的塑性变形的基本特征是剪切带变形方式，剪切带的厚度仅为10nm左右[1]，塑性变形集中在剪切带内[1-5]，非晶合金的脆化与这种高度局域化的不均匀变形行为有紧密的关系[6]。目前的研究已经表明，弹性应力对块体非晶合金有非常重要的影响，而且对块体非晶合金的塑性有非常重要的影响。本文就是阐述一下弹性应力对块体非晶合金影响的现状和进展，从而为广大非晶合金研究者更深入的研究和开拓新研究思路提供积极作用。
二．弹性应力对块体非晶合金影响的研究思路
2.1对非晶合金试样在屈服应力下进行预压缩保载，然后和没有预压缩的试样进行比较性实验。
目前，这几年比较著名的就是韩国高丽大学进行的研究。他们在对块体非晶合金试样进行压缩之前先对试样进行预压缩，预压缩的应力在块体非晶合金的屈服应力以下，预压缩方式是加载——保载——卸载。为了测试弹性应力对块体非晶合金的影响，通过对预压缩试样和没有预压缩试样进行DSC检测分析。进一步再对没有预加载试样和有预加载试样进行室温下的单轴压缩实验，根据应力——应变曲线对比它们的不同。
2.2通过合理设计对非晶合金的弹性应力压缩方式得到的试样和已经发生剪切变形的试样进行比较实验。
由于非晶合金在的塑性变形的特征是高度局域化，剪切带以外的空间组织都一直在弹性应力的作用下，为了研究弹性应力对块体非晶合金的影响，可以把剪切带外部空间组织通过合理的实验方式“剥离”出来，然后进行比较实验[7]。
弹性应力对块体非晶合金微观组织的影响
对块体非晶合金试样在室温下进行弹性静力学压缩实验时，发现应变由三种组成[8]：理想弹性应变、滞弹性应变、粘弹性应变，尽管在瞬间移除应力后，理想弹性和滞弹性的恢复过程不同，但是理想弹性应变和滞弹性应变是完全可以恢复的，而粘弹性应变在移除外力后是不可恢复的，从而非晶合金产生一个永久的变形。对这个粘弹性变形的非晶合金试样表面观察，并没有发现剪切带，这也说明粘弹性应变变形是均匀发生的。目前，研究已经表明，这个粘弹性应变变形的发生伴随着非晶合金的结构无序化过程，无序化程度变高会增殖更多剩余自由体积[9]。
3.1.1弹性应力大小对非晶合金微观组织的影响。
在自由体积模型理论中，剩余自由体积的含量和非晶结构的无序化程度是相对应的。在玻璃转变温度Tg以下为非晶加热，剩余自由体积会湮灭，从而会释放能量，释放的能量可以认为和剩余自由体积含量成比例，所以可以用DSC测量剩余自由体积的含量。在非晶合金屈服应力一下进行预压缩可以诱发非晶合金微观组织结构发生变化，由于弹性应力的预加载可以导致非晶合金的结构产生无序化，无序化程度越大，非晶合金微观组织的能量越高，显然，预加载的应力大小越大，对非晶合金微观组织影响越大，非晶合金的原子结构无序化程度越大，空间增值的剩余自由体积越多。
3.1.2弹性应力持续时间对增加非晶合金的微观组织影响
通过对Cu65Zr35作为试样进行预加载后，然后对试样进行弹性静力学压缩来研究非晶合金微观组织演化过程。图3[9]是预加载时间与放出热量的变化关系。从图中我们可以看出刚开始时放热量是慢慢增加变化，随后在4h到6h之间放热量突然增加很多，然而继续增加时间放热量变化不大。这是由于刚开始滞弹性应变的相对比例比粘弹性应变大，滞弹性对非晶合金的微观组织的影响是慢慢变化的，当随后的放热量突然增加，是由于粘弹性应变相对比例比滞弹性应变大，而粘弹性应变对非晶合金微观组织演化有很大影响。然而，继续增加预加载时间，放热量却没有很大的变化，这是因为这个状态下的非晶合金已经有比较高的剩余自由体积，结构原子内存储了比较多的能量，原子处于比较高的能量状态，因此，这个状态的原子已经不能再存储更多的能量了，已经处于饱和状态了，所以放热量就不在增加了，这说明非晶合金的微观组织无序化在达到某一个状态就不会有变化了，剩余自由体积增加会达到某一个值而不再增加。
图3对Cu65Zr35作DSC热分析，得出的时间与放热量的关系图
3.1.3为了描述非晶合金原子堆积排列结构和追踪非晶弹性应力下的均匀变形的原子结构演化过程，目前，分子动力学模拟已经大量运用在研究非晶微观组织中，分子动力学模拟可以让人们更好的了解非晶原子结构在弹性应力的作用下的演化过程。图5[10]也是分子动力学模拟的结果，展现出一些主要的短程有序多面体原子团簇在随着剪切应变的变化的演化过程。从这个实验结果可以得到一些重要的结果：第一，随着剪切应变的增加，多面体原子团簇的体积分数也随着变化，特别是（0,0,12,0）原子团簇体积分数，有最高的多面体原子团簇体积分数，而且随着剪切应变量增加比其他的多面体原子团簇体积分数改变的更多；第二，当发生剪切应变时，非晶合金的原子结构的变化程度是非常依赖非晶合金初始原子堆積密度。用另一句话说，随着剪切应变量增加时，初始原子结构堆积密度比较高的非晶原子结构变化更大。第三，随着变形过程进行，原子堆积比较密集的多面体原子团簇（比如（0,0,12,0）和（0，1,10,2））瓦解而形成一个原子堆积密度比较松散新的多面体原子团簇（比如（0,3,6,4））。
图5 分子动力学模拟剪切变形过程中泰森多面体指数变化情况（a）表示Cu50Zr50（b）表示Cu65Zr35
四．弹性应力对非晶合金的力学性能影响。
图6[11]是把Cu65Zr35圆柱状小试样在屈服应力以下的50%到90%的不同应力进行不同的预压缩，保载12小时。然后对这些处理过的试样进行做压缩实验。图6是这些试样在压缩实验后的应力-应变曲线。这个结果表明，随着预加载应力的大小增加，非晶合金的屈服强度从2.2GPa减少到1.6GPa，而塑性应变从0%增加到5.2%。从图2中，我们可以清楚的了解，对非晶合金弹性预加载可以改变非晶合金的力学性能，此外，力学性能变化的程度很大程度的依赖预加载应力大小。
弹性应力对非晶合金力学性能的影响，最本质的机理是由于弹性应力对非晶合金微观组织的影响。弹性应力对非晶合金的微观组织的无序化程度有影响，使其无序化程度增加，非晶合金的剩余自由体积随之增加，所以非晶合金的表现出的塑性也就有明显增加。由于弹性应力使非晶原子的排列更为松散，非晶合金的原子结构的体积膨胀，使非晶合金中的原子结合力相对降低，从而导致宏观上的强度降低，弹性模量也随之减小。
图6在室温下，对Cu65Zr35非晶试样在不同的预加载应力下保载12小时不同的预加载应力大小试样的应力-应变曲线
五．结束语
目前，非晶合金的弹性应力对微观组织的影响的研究仅仅局限于压缩的方式，由于非晶合金本来就很脆，室温下塑性很差，所以就几乎没有通过拉伸、弯曲等其他应力作用方式来研究弹性应力对非晶合金微观组织的影响。非晶的在力的作用下的微观组织演化对非晶的剪切带增殖有重要影响，所以要了解非晶的塑性变形机制还需要对弹性应力对非晶微观组织影响更多的研究，从而为非晶合金在工程上应用提供有力的理论支持。
参考文献
1. Jiang WH, Liu FX, Liaw PK, et al. Shear strain in a shear band of a bulk-metallic glass in compression[J]. Applied Physics Letter, 2007, 90:181903.
2. Ye JC, Lu J, Yang B, et al. Study of the instrisic ductile to brittle transition mechanism of metallic glasses[J]. Acta Materialia, 2009, 57(20):6037-6046.
3. Ye JC, Lu J, Yang Y, et al. Extraction of bulk metallic glass yield strengths using tapered
micropillars experiments[J]. Intermetallics, 2010, 18:385-393.
4. Bhowmick R, Raghavan R, Chattopadhyay K, et al. Plastic flow softening in a bulk metallic glass[J]. Acta Materialia, 2006, 54:4221-4228.
5. Park KW, Lee CM, Lee MR, et al. Paradoxical phenomena between the homogeneous and
inhomogeneous deformations of metallic glasses[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94:021907.
6. Park KW, Lee CM, Wakeda M, et al. Elastostatically induced structural disordering in amorphous alloy[J]. Acta Materialia, 2008, 56:5440-5450.
7 .韓振华，贺林. 块体非晶合金塑性变形过程中剪切带空间增殖机制的研究，西安交通大学博士论文.
8. Kyoung-Won Parka, Chang-Myeon Leea, Hwi-Jun Kimb, Jae-Hoon Lee, Jae-Chul Leea.Elastostatically induced structural disordering in amorphous alloys.Acta Materialia 56 (2008) 5440–5450.
关键词：预压缩；微观组织演化；结构无序化；剩余自由体积；力学性能
中图分类号： O3 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
金属非晶合金是目前一个新兴材料，由于它具有良好的力学性能，人们试图想把非晶合金作为结构材料来使用，但是块体非晶和金在室温下几乎没有塑性，这样作为工程结构材料就容易造成灾难性事故。非晶合金的塑性变形的基本特征是剪切带变形方式，剪切带的厚度仅为10nm左右[1]，塑性变形集中在剪切带内[1-5]，非晶合金的脆化与这种高度局域化的不均匀变形行为有紧密的关系[6]。目前的研究已经表明，弹性应力对块体非晶合金有非常重要的影响，而且对块体非晶合金的塑性有非常重要的影响。本文就是阐述一下弹性应力对块体非晶合金影响的现状和进展，从而为广大非晶合金研究者更深入的研究和开拓新研究思路提供积极作用。
二．弹性应力对块体非晶合金影响的研究思路
2.1对非晶合金试样在屈服应力下进行预压缩保载，然后和没有预压缩的试样进行比较性实验。
目前，这几年比较著名的就是韩国高丽大学进行的研究。他们在对块体非晶合金试样进行压缩之前先对试样进行预压缩，预压缩的应力在块体非晶合金的屈服应力以下，预压缩方式是加载——保载——卸载。为了测试弹性应力对块体非晶合金的影响，通过对预压缩试样和没有预压缩试样进行DSC检测分析。进一步再对没有预加载试样和有预加载试样进行室温下的单轴压缩实验，根据应力——应变曲线对比它们的不同。
2.2通过合理设计对非晶合金的弹性应力压缩方式得到的试样和已经发生剪切变形的试样进行比较实验。
由于非晶合金在的塑性变形的特征是高度局域化，剪切带以外的空间组织都一直在弹性应力的作用下，为了研究弹性应力对块体非晶合金的影响，可以把剪切带外部空间组织通过合理的实验方式“剥离”出来，然后进行比较实验[7]。
弹性应力对块体非晶合金微观组织的影响
对块体非晶合金试样在室温下进行弹性静力学压缩实验时，发现应变由三种组成[8]：理想弹性应变、滞弹性应变、粘弹性应变，尽管在瞬间移除应力后，理想弹性和滞弹性的恢复过程不同，但是理想弹性应变和滞弹性应变是完全可以恢复的，而粘弹性应变在移除外力后是不可恢复的，从而非晶合金产生一个永久的变形。对这个粘弹性变形的非晶合金试样表面观察，并没有发现剪切带，这也说明粘弹性应变变形是均匀发生的。目前，研究已经表明，这个粘弹性应变变形的发生伴随着非晶合金的结构无序化过程，无序化程度变高会增殖更多剩余自由体积[9]。
3.1.1弹性应力大小对非晶合金微观组织的影响。
在自由体积模型理论中，剩余自由体积的含量和非晶结构的无序化程度是相对应的。在玻璃转变温度Tg以下为非晶加热，剩余自由体积会湮灭，从而会释放能量，释放的能量可以认为和剩余自由体积含量成比例，所以可以用DSC测量剩余自由体积的含量。在非晶合金屈服应力一下进行预压缩可以诱发非晶合金微观组织结构发生变化，由于弹性应力的预加载可以导致非晶合金的结构产生无序化，无序化程度越大，非晶合金微观组织的能量越高，显然，预加载的应力大小越大，对非晶合金微观组织影响越大，非晶合金的原子结构无序化程度越大，空间增值的剩余自由体积越多。
3.1.2弹性应力持续时间对增加非晶合金的微观组织影响
通过对Cu65Zr35作为试样进行预加载后，然后对试样进行弹性静力学压缩来研究非晶合金微观组织演化过程。图3[9]是预加载时间与放出热量的变化关系。从图中我们可以看出刚开始时放热量是慢慢增加变化，随后在4h到6h之间放热量突然增加很多，然而继续增加时间放热量变化不大。这是由于刚开始滞弹性应变的相对比例比粘弹性应变大，滞弹性对非晶合金的微观组织的影响是慢慢变化的，当随后的放热量突然增加，是由于粘弹性应变相对比例比滞弹性应变大，而粘弹性应变对非晶合金微观组织演化有很大影响。然而，继续增加预加载时间，放热量却没有很大的变化，这是因为这个状态下的非晶合金已经有比较高的剩余自由体积，结构原子内存储了比较多的能量，原子处于比较高的能量状态，因此，这个状态的原子已经不能再存储更多的能量了，已经处于饱和状态了，所以放热量就不在增加了，这说明非晶合金的微观组织无序化在达到某一个状态就不会有变化了，剩余自由体积增加会达到某一个值而不再增加。
图3对Cu65Zr35作DSC热分析，得出的时间与放热量的关系图
3.1.3为了描述非晶合金原子堆积排列结构和追踪非晶弹性应力下的均匀变形的原子结构演化过程，目前，分子动力学模拟已经大量运用在研究非晶微观组织中，分子动力学模拟可以让人们更好的了解非晶原子结构在弹性应力的作用下的演化过程。图5[10]也是分子动力学模拟的结果，展现出一些主要的短程有序多面体原子团簇在随着剪切应变的变化的演化过程。从这个实验结果可以得到一些重要的结果：第一，随着剪切应变的增加，多面体原子团簇的体积分数也随着变化，特别是（0,0,12,0）原子团簇体积分数，有最高的多面体原子团簇体积分数，而且随着剪切应变量增加比其他的多面体原子团簇体积分数改变的更多；第二，当发生剪切应变时，非晶合金的原子结构的变化程度是非常依赖非晶合金初始原子堆積密度。用另一句话说，随着剪切应变量增加时，初始原子结构堆积密度比较高的非晶原子结构变化更大。第三，随着变形过程进行，原子堆积比较密集的多面体原子团簇（比如（0,0,12,0）和（0，1,10,2））瓦解而形成一个原子堆积密度比较松散新的多面体原子团簇（比如（0,3,6,4））。
图5 分子动力学模拟剪切变形过程中泰森多面体指数变化情况（a）表示Cu50Zr50（b）表示Cu65Zr35
四．弹性应力对非晶合金的力学性能影响。
图6[11]是把Cu65Zr35圆柱状小试样在屈服应力以下的50%到90%的不同应力进行不同的预压缩，保载12小时。然后对这些处理过的试样进行做压缩实验。图6是这些试样在压缩实验后的应力-应变曲线。这个结果表明，随着预加载应力的大小增加，非晶合金的屈服强度从2.2GPa减少到1.6GPa，而塑性应变从0%增加到5.2%。从图2中，我们可以清楚的了解，对非晶合金弹性预加载可以改变非晶合金的力学性能，此外，力学性能变化的程度很大程度的依赖预加载应力大小。
弹性应力对非晶合金力学性能的影响，最本质的机理是由于弹性应力对非晶合金微观组织的影响。弹性应力对非晶合金的微观组织的无序化程度有影响，使其无序化程度增加，非晶合金的剩余自由体积随之增加，所以非晶合金的表现出的塑性也就有明显增加。由于弹性应力使非晶原子的排列更为松散，非晶合金的原子结构的体积膨胀，使非晶合金中的原子结合力相对降低，从而导致宏观上的强度降低，弹性模量也随之减小。
图6在室温下，对Cu65Zr35非晶试样在不同的预加载应力下保载12小时不同的预加载应力大小试样的应力-应变曲线
五．结束语
目前，非晶合金的弹性应力对微观组织的影响的研究仅仅局限于压缩的方式，由于非晶合金本来就很脆，室温下塑性很差，所以就几乎没有通过拉伸、弯曲等其他应力作用方式来研究弹性应力对非晶合金微观组织的影响。非晶的在力的作用下的微观组织演化对非晶的剪切带增殖有重要影响，所以要了解非晶的塑性变形机制还需要对弹性应力对非晶微观组织影响更多的研究，从而为非晶合金在工程上应用提供有力的理论支持。
参考文献
1. Jiang WH, Liu FX, Liaw PK, et al. Shear strain in a shear band of a bulk-metallic glass in compression[J]. Applied Physics Letter, 2007, 90:181903.
2. Ye JC, Lu J, Yang B, et al. Study of the instrisic ductile to brittle transition mechanism of metallic glasses[J]. Acta Materialia, 2009, 57(20):6037-6046.
3. Ye JC, Lu J, Yang Y, et al. Extraction of bulk metallic glass yield strengths using tapered
micropillars experiments[J]. Intermetallics, 2010, 18:385-393.
4. Bhowmick R, Raghavan R, Chattopadhyay K, et al. Plastic flow softening in a bulk metallic glass[J]. Acta Materialia, 2006, 54:4221-4228.
5. Park KW, Lee CM, Lee MR, et al. Paradoxical phenomena between the homogeneous and
inhomogeneous deformations of metallic glasses[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94:021907.
6. Park KW, Lee CM, Wakeda M, et al. Elastostatically induced structural disordering in amorphous alloy[J]. Acta Materialia, 2008, 56:5440-5450.
7 .韓振华，贺林. 块体非晶合金塑性变形过程中剪切带空间增殖机制的研究，西安交通大学博士论文.
8. Kyoung-Won Parka, Chang-Myeon Leea, Hwi-Jun Kimb, Jae-Hoon Lee, Jae-Chul Leea.Elastostatically induced structural disordering in amorphous alloys.Acta Materialia 56 (2008) 5440–5450.