非晶合金理想裂紋預(yù)制方法及其在小試樣KIc測(cè)試中的應(yīng)用1)

謝怡玲 劉 澤

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系，武漢 430072)

引言

非晶合金，又稱(chēng)金屬玻璃[1-2]，是通過(guò)快速冷卻凝固得到的非晶態(tài)金屬材料.1960 年，美國(guó)加州理工的Duwez 教授[3]首次報(bào)道了通過(guò)急冷法制備的Au-Si 非晶合金，這一方法帶動(dòng)了非晶合金制備的快速發(fā)展.在20 世紀(jì)90 年代末，非晶合金制備取得重大進(jìn)展——在宏觀(guān)尺寸上成功制備出塊狀、棒狀的非晶合金[4-5].非晶合金鑄造尺寸的突破，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[6-9].研究發(fā)現(xiàn)，源于微觀(guān)尺度的長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)原子結(jié)構(gòu)[10]，非晶合金具有比相應(yīng)晶態(tài)金屬更高的彈性極限、更大的強(qiáng)度和硬度以及抗腐蝕耐磨損等特性[11].但也正因?yàn)槿狈w中的位錯(cuò)形核與運(yùn)動(dòng)等塑性變形機(jī)制，塊體非晶合金在室溫下表現(xiàn)為高度局域的剪切帶變形[12-14].

目前，關(guān)于非晶合金的彈性與強(qiáng)度理論已經(jīng)取得了重要進(jìn)展.然而，斷裂韌性作為非晶合金應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，其測(cè)量與理解卻還存在較大的挑戰(zhàn)[15-18].首先，僅極少數(shù)非晶合金能夠同時(shí)滿(mǎn)足高玻璃形成能力和高斷裂韌性的要求，從而獲得可靠的斷裂韌性值[15].對(duì)多數(shù)非晶合金，即使它們具有足夠大的可鑄造尺寸用于斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，其脆性也使得傳統(tǒng)的預(yù)制疲勞裂紋方法失效[19-21].其次，研究發(fā)現(xiàn)非晶合金鑄造過(guò)程中的冷速差異[22]、殘余應(yīng)力[23]、組分漲落(包括雜質(zhì)缺陷)[24,25]、試樣幾何[20,26]、預(yù)制缺口裂紋的質(zhì)量[27]等均會(huì)顯著影響斷裂韌性測(cè)量值，這也是造成文獻(xiàn)中即使對(duì)于同種非晶合金所報(bào)導(dǎo)的斷裂韌性值也非常分散的主要原因，典型的如Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金，其預(yù)制疲勞裂紋測(cè)試值為16-68 MPa·m1/2[19,26,28-36].

最近的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)硅電子微加工技術(shù)制備硅模具，然后加熱非晶合金至其過(guò)冷液相區(qū)，利用外載荷作用下非晶合金的黏性流動(dòng)復(fù)制硅模具可以制得高品質(zhì)的預(yù)制缺口試樣[20,29,37].其利用了光刻工藝可獲得極高加工精度(可小至1μm[38])，而過(guò)冷液相溫度以及高壓可有效消除熱歷史差異以及組分漲落，因此上述方法可以有效減弱甚至消除冷速差異、殘余應(yīng)力、組分漲落以及預(yù)制缺口裂紋質(zhì)量等因素對(duì)斷裂韌性測(cè)量的影響[29,39-42].然而，由于硅是一種典型的脆性材料，對(duì)于熱塑性成型能力較差的非晶合金，復(fù)制模具過(guò)程容易造成硅模具的破碎.此外，硅電子微加工技術(shù)顯著增加了試驗(yàn)的成本，并且受限于光刻工藝，所制備的試樣厚度一般小于300μm.同時(shí)，該方法不能直接獲得理想的裂紋.

本文基于非晶合金的可熱塑性成型特性，先用金剛石線(xiàn)鋸或金剛石刀片在鑄態(tài)非晶合金中切出所需形狀的試樣，同時(shí)在試樣中預(yù)制缺口裂紋.然后在大氣環(huán)境下、過(guò)冷液相溫度區(qū)間對(duì)預(yù)制有缺口的非晶合金試樣進(jìn)行壓縮成型，使得預(yù)制的缺口裂紋閉合形成類(lèi)似疲勞裂紋的理想裂紋面.為了在薄試樣中創(chuàng)造局部的平面應(yīng)變狀態(tài)，設(shè)計(jì)模具使得熱塑性成型閉合缺口裂紋的過(guò)程中在裂紋面附近形成局部的凹陷.最后，以鋯基非晶合金為例，通過(guò)上述方法對(duì)預(yù)制有理想裂紋的斷裂試樣進(jìn)行原位準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸，實(shí)現(xiàn)了較薄試樣的平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)量.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文的實(shí)驗(yàn)材料采用了LM-1(Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(at.%))[43-46]和LM-1b(Zr44Ti11Cu10Ni10Be25(at.%))[20,47-49]兩種，通過(guò)DSC 測(cè)得上述兩種BMG 的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為T(mén)g=349°C，350°C；初始晶化溫度分別為T(mén)x=426°C，471°C(表1).

表1 材料參數(shù)表[45]Table 1 Data of used BMGs in this study[45]

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文在5.0×10-5s-1的應(yīng)變率控制下，對(duì)LM-1塊體非晶合金進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸.研究了試樣厚度、缺口半徑對(duì)LM-1 斷裂韌性KQ值的影響.樣品預(yù)制缺口采用0.25 mm 直徑的金剛石線(xiàn)以0.2 mm/min 的速度進(jìn)行切割(沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司，STX-202A 型金剛石線(xiàn)切割機(jī)).熱塑性成型閉合缺口裂紋的試驗(yàn)在設(shè)計(jì)有可加熱并控溫的平板夾具的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成.平板夾具采用電阻式加熱，平板的溫度通過(guò)與之相連的熱電偶及反饋控制電路進(jìn)行控制，溫控精度優(yōu)于1°C.制備理想裂紋的原理如圖1 所示：當(dāng)試驗(yàn)機(jī)平板夾具的溫度到達(dá)預(yù)設(shè)的420°C 并穩(wěn)定后，把預(yù)制缺口的LM-1 試樣與模具疊放在上下平板夾具之間(圖1(a))，待試樣達(dá)到設(shè)定溫度后，對(duì)其施加平均壓強(qiáng)為150 MPa 的載荷，加載時(shí)間控制在5 min 以?xún)?nèi)以避免晶化.加載結(jié)束后取出樣品快速置于水中冷卻(水溫為室溫).為了在熱塑性成型閉合缺口裂紋的過(guò)程中在裂紋面附近形成平面應(yīng)變狀態(tài)，模具形狀設(shè)計(jì)成“T”形，使得熱塑性成型后的試樣表面形成局部的凹陷(圖1(b)).通過(guò)上述方法制備的典型缺口試樣及缺口裂紋閉合后的試樣的光學(xué)顯微鏡照片如圖1(c)和圖1(d)所示(Keyence,VHX-5000).圖示非晶合金試樣在成型后厚度方向的變形約為50%.圖1(e)為所制備的典型斷裂試樣在加載測(cè)試后的XRD 表征，圖中僅出現(xiàn)一個(gè)彌散的饅頭峰，表明該試樣在經(jīng)歷前述熱塑性成型后仍處于非晶態(tài).

圖1 (a)和(b)制備理想裂紋的原理圖；(c)通過(guò)金剛石繩鋸預(yù)制缺口后的典型試樣；(d)熱塑性成型使得缺口裂紋閉合后的典型試樣;(e)熱塑成型制備的一個(gè)理想裂紋試樣在斷裂后的XRD 表征Fig.1 (a)and(b)Schematics of the experimental procedures;(c)Typical notched sample;(d)Typical pre-cracked sample based on the procedures in(a)and(b);(e)XRD characterization of a typical pre-cracked sample after fracture test

為了表征熱壓閉合后的裂紋，先對(duì)試樣表面進(jìn)行精細(xì)拋光(上海光學(xué)儀器廠(chǎng)，YMPZ-2)，然后利用光學(xué)顯微鏡(Keyence,VHX-5000)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,Zeiss,Sigma 500)對(duì)磨拋后的試樣進(jìn)行表征.典型的結(jié)果如圖2 所示，缺口已經(jīng)合攏成為一條“線(xiàn)”(圖2(a))，局部放大閉合后的裂紋尖端區(qū)域如圖2(b)所示.顯然，通過(guò)上述方法可以制備出含理想裂紋的試樣.

最后，對(duì)預(yù)制有理想裂紋的試樣在電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron，instron5969)上進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試，試驗(yàn)以5.0×10-5s-1的恒應(yīng)變率加載直至拉斷，試樣拉伸過(guò)程通過(guò)相機(jī)實(shí)時(shí)錄像(圖3(a)).圖3(b)為一個(gè)典型缺口試樣裝載后的照片，圖3(c)為其對(duì)應(yīng)的位移--載荷曲線(xiàn)，其中位移通過(guò)試樣上的引伸計(jì)測(cè)得(圖3(b)).圖3(d)為拉伸過(guò)程中，對(duì)應(yīng)3 個(gè)時(shí)刻(圖3(c)中的點(diǎn)1，2，3)的缺口變化.

圖2 利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)通過(guò)熱塑性成型制備的含理想裂紋試樣進(jìn)行表征.(a)理想裂紋的光學(xué)顯微鏡圖；(b)對(duì)理想裂紋尖區(qū)域進(jìn)行局部放大的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Characterization of a typical sample after pre-cracking by thermoplastic compression.(a)Optical microscope imaging of the pre-crack;(b)Zoom-in the crack tip region by a SEM

圖3 (a)斷裂韌性測(cè)試裝置圖；(b)預(yù)制有理想裂紋的試樣；(c)上述試樣的位移-載荷曲線(xiàn)；(d)上述試樣拉伸過(guò)程中在對(duì)應(yīng)狀態(tài)下裂紋的變化Fig.3 (a)Experimental set-up for fracture toughness test.(b)Typical sample with an ideal crack.(c)Corresponding displacement-force curve.(d)Evolution of the crack in(b)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 缺口裂尖曲率半徑的影響

典型缺口裂紋試樣與含理想裂紋試樣在斷裂前后的光學(xué)顯微鏡照片如圖4 所示.顯然，缺口裂紋由于裂尖曲率半徑較大，在拉伸過(guò)程中，尖端形成分布的剪切帶(圖4(b)).而通過(guò)熱塑性成型使得缺口閉合后的試樣，其尖端剪切帶更加密集，且剪切帶區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于前者(圖4(d)).由于非晶合金的塑性變形功集中在剪切帶內(nèi)，因此，具有較大缺口半徑的試樣在斷裂前形成的剪切帶更多，其測(cè)得的斷裂韌性值也就越高.

圖4(c)中樣品的斷面形貌如圖5 所示，圖中箭頭指向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向.其中，圖5(a)為試樣斷面在顯微鏡下的全貌圖；圖5(b)～圖5(e)為試樣斷面的SEM表征；圖5(b)為裂紋尖端分界面附近的形貌圖；圖5(c)為熱壓閉合區(qū)域的原切口表面；圖5(d)為裂尖附近裂紋萌生區(qū)的斷面形貌；圖5(e)為裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷面形貌.從圖5(c)可以看出，熱壓閉合區(qū)域沒(méi)有發(fā)生鍵合(沒(méi)有非晶合金典型的vein-pattern斷面形貌圖5(d)和圖5(e))，這主要是非晶合金在高溫下形成的表面氧化層阻礙了金屬鍵的形成.裂紋萌生區(qū)斷面相對(duì)光滑且呈脈絡(luò)的油脂分離狀，而裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷面形貌為尺度1～2μm 的韌窩結(jié)構(gòu)，反映出裂紋從萌生到擴(kuò)展過(guò)程中主剪切帶尖端應(yīng)力強(qiáng)度的變化.

圖4 缺口尖端曲率半徑對(duì)剪切帶分布的影響.(a)～(b)曲率半徑為130μm、厚度為3.4 mm 的斷裂試樣在斷裂前后的裂尖區(qū)域表征；(c)～(d)典型含理想裂紋、厚度為2.7 mm 的試樣在斷裂前后的裂尖區(qū)域表征Fig.4 Effect of notch radius on the distribution of shear bands after fracture.(a)～(b)Typical sample with notch radius of 130μm and sample thickness of 3.4 mm.(c)～(d)Typical pre-crack sample by thermoplastic compression,the thickness of the sample is 2.7 mm

圖5 典型含理想裂紋試樣的斷裂面形貌Fig.5 Characterization of the pre-crack sample in Fig.4(c)after fracture

2.2 SEM下原位斷裂試驗(yàn)

文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的LM-1 的平面應(yīng)變斷裂韌性值較小(16～68 MPa·m1/2)[26,28,30-34,50]，因此其理想裂紋試樣在拉伸過(guò)程中剪切帶區(qū)域較小(圖4(d))，在光學(xué)顯微鏡下不容易進(jìn)行觀(guān)測(cè).為了更好地了解含理想裂紋試樣在斷裂過(guò)程中剪切帶的演化規(guī)律，下面選擇在SEM 中進(jìn)行原位斷裂測(cè)試.受限于拉伸臺(tái)的量程(450 N，Mechanical Technology Inc，SEM tester100).選擇了熱塑性成型性能更優(yōu)的LM-1b材料，首先通過(guò)復(fù)制硅模具[20,38]預(yù)制了“V”形缺口試樣，然后利用圖1(a)和圖1(b)工藝制得含理想裂紋試樣(圖6(a)).盡管缺口已經(jīng)完全閉合，但仍然能看到“V”形痕跡(黑色區(qū)域形狀).對(duì)所制備的含理想裂紋試樣在SEM中進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)，剪切帶演化與裂紋擴(kuò)展如圖6(b)～圖6(d)所示.

圖6 典型含理想裂紋試樣的SEM 原位斷裂試驗(yàn)Fig.6 In-situ tension of a LM-1b sample contains an ideal crack in SEM

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及討論

對(duì)于單邊缺口拉伸試樣(SENT)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子K計(jì)算公式如下[21,51-53]

式中，σ 為遠(yuǎn)端均勻應(yīng)力，a為試樣裂紋長(zhǎng)度，W為試樣寬度，為形狀修正因子，其計(jì)算公式如下[53]

基于上述公式，并根據(jù)LM-1 含裂紋試樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)(表2)，可計(jì)算獲得其斷裂韌性值.對(duì)于厚度為2.7 mm 和3.4 mm 的缺口試樣(缺口曲率半徑為130μm)，測(cè)得斷裂韌性值分別為而對(duì)于通過(guò)熱塑性成型制得的含理想裂紋試樣，所測(cè)得的斷裂韌性值明顯低于缺口試樣，且隨厚度增加迅速降低(圖7)，表明裂尖由平面應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài).需要指出的是，當(dāng)試樣厚度大于約0.6 mm 后，斷裂韌性即趨向于一個(gè)定值(圖7).根據(jù)ASTC E399 規(guī)定，KIc必須是在平面應(yīng)變狀態(tài)下的測(cè)試值，試樣在尺寸上需滿(mǎn)足

對(duì)于LM-1，σy=1.755 GPa.平面應(yīng)變斷裂韌性要求試樣厚度而在本文的實(shí)驗(yàn)中(圖7)，當(dāng)試樣厚度大于～0.6 mm 后(不到ASTC E399 要求的1.3 mm 的一半)，KQ值就已經(jīng)與KIc值接近，表明通過(guò)“T”形模具制備含理想裂紋的同時(shí)可以在裂紋面附近(凹陷區(qū))形成平面應(yīng)變狀態(tài)，從而使得平面應(yīng)變斷裂韌性測(cè)試對(duì)試樣厚度的要求顯著降低.

表2 LM-1 含裂紋試樣的幾何參數(shù)表Table 2 Geometry of the LM-1 specimens for fracture toughness test

圖7 通過(guò)熱塑性成型制備的含理想裂紋試樣的斷裂韌性測(cè)試值對(duì)試樣厚度的依賴(lài)關(guān)系Fig.7 Dependence of the fracture toughness of pre-crack sample on the sample’s thickness

此外，根據(jù)文獻(xiàn)[26,28,30-32,34,50]報(bào)導(dǎo)，基于預(yù)制疲勞裂紋的LM-1 的斷裂韌性測(cè)試值比較離散，大致范圍在16～68 MPa·m1/2.圖8(a)為基于本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得的LM-1 斷裂韌性值與文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的LM-1 的斷裂韌性的對(duì)比.通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)本文預(yù)制裂紋方式測(cè)得的斷裂韌性測(cè)試值與文獻(xiàn)中的值雖然在同一個(gè)水平，但是本文的預(yù)制裂紋方式更具有普適性，不再受限于高玻璃形成能力且高韌的非晶合金.尤其需要指出的是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋預(yù)制過(guò)程容易在裂紋前端分叉出剪切帶(圖8(b)和圖8(c))，這些分叉剪切帶在主剪切帶形成之前也會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，從而造成附加的塑性功，使得測(cè)試結(jié)果偏離理想裂紋測(cè)試值.

圖8 (a)不同研究組測(cè)得的LM-1 含理想裂紋試樣的斷裂韌性值；(b)和(c)對(duì)缺口裂紋預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程所形成的分叉剪切帶損傷Fig.8 (a)Comparison of the measured pre-crack toughness in LM-1 with other groups.(b)and(c)Fatigue cracking process induces branched shear bands

3 結(jié)論

斷裂韌性是材料的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo).本文報(bào)導(dǎo)了一種通過(guò)熱塑性成型快速、低成本且可靠的預(yù)制理想裂紋的方法.該方法有效解決了非晶合金疲勞裂紋試樣在制備上的困難.同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)“T”形模具在熱塑性成型制備理想裂紋的同時(shí)，獲得了裂紋面附近(凹陷區(qū))的平面應(yīng)變狀態(tài)，使得對(duì)薄試樣進(jìn)行平面應(yīng)變斷裂韌性測(cè)試成為可能.最后，以L(fǎng)M-1非晶合金為例，展示了通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)薄試樣非晶合金平面應(yīng)變斷裂韌性測(cè)試的有效性.