非晶合金在壓縮和拉伸條件下，形變后樣品表面呈現(xiàn)出剪切帶，而剪切帶的數(shù)量和密度反應(yīng)了非晶合金的塑性應(yīng)變，剪切帶的交叉反應(yīng)了剪切帶之間的相互作用。通過(guò)快速凝固技術(shù)制備的塊體非晶合金，在塑性變形區(qū)域，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)通常呈現(xiàn)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(yuǎn)高于塊體非晶合金，所以非晶合金薄帶的原子結(jié)構(gòu)更接近合金熔體的微觀結(jié)構(gòu)。研究非晶合金薄帶力學(xué)性能對(duì)進(jìn)一步研究微觀結(jié)構(gòu)及塑性形變機(jī)理具有重要的理論價(jià)值。

       合金鑄錠由純金屬元素(純度高于99.9%)混合經(jīng)電弧熔化，且在氬氣保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行制備。為保證合金元素在熔煉過(guò)程中達(dá)到化學(xué)均勻，合金鑄錠均反復(fù)熔煉4次以上；最后將熔煉好的合金錠放入感應(yīng)熔爐中的石英管中，通過(guò)感應(yīng)加熱使鑄錠熔化，合金溶液在壓應(yīng)力作用噴射到高速轉(zhuǎn)動(dòng)的單輥銅模上，形成厚度50~100mm薄帶。

       薄帶的相結(jié)構(gòu)采用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)在CuKα輻射下進(jìn)行測(cè)試，且儀器運(yùn)行電壓為30kV。薄帶室溫彎折實(shí)驗(yàn)采用一端固定，另一端用虎鉗夾住，分別進(jìn)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(xiàn)出非晶態(tài)漫散射峰，表明薄帶為非晶態(tài)。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(fā)現(xiàn)，樣品表面無(wú)任何彎折痕跡，并未呈現(xiàn)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(yīng)力。

       如圖2(a)所示，白色線(xiàn)條為一次剪切帶，是在拉應(yīng)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(yuǎn)的部位主要是二次剪切帶。樣品在彎折過(guò)程中，離斷口近的部位，剪切帶首先形成；當(dāng)彎折角度越大時(shí)，離斷口近的一次剪切帶受拉應(yīng)力越大，并且剪切帶所形成的區(qū)域隨彎折角度的增加而增加，離斷口遠(yuǎn)的剪切帶是在大彎折角的情況下形成，由于離斷口較遠(yuǎn)部位所受拉應(yīng)力較小，形成剪切帶較淺，即為二次剪切帶。

       圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)一次剪切帶之間分布著近似平行的二次剪切帶，這是因?yàn)殡S著彎折角度增加，兩個(gè)二次剪切帶之間所受到拉應(yīng)力大于剪切帶形成的臨界應(yīng)力，從而導(dǎo)致二次剪切帶形成。

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

       當(dāng)多個(gè)剪切帶相互平行時(shí)，多個(gè)剪切帶獨(dú)立形核并擴(kuò)展，剪切帶相互之間作用較弱或者不存在相互作用；當(dāng)剪切帶相互交叉時(shí)，剪切帶相互作用較強(qiáng)。對(duì)于1次彎折斷裂，剪切帶只在拉應(yīng)力作用下，交叉剪切帶較少，說(shuō)明了剪切帶相互作用較弱，剪切帶之間趨向于獨(dú)立形核并擴(kuò)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(yīng)力，第2次剪切帶受拉應(yīng)力，第3次剪切帶在壓應(yīng)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(yuǎn)部位的B區(qū)，剪切帶密度較小，與非晶薄帶1次彎折類(lèi)似。然而，平行剪切帶相對(duì)較少，而相互交叉剪切帶相對(duì)較多，如圖3(a)和3(b)所示。另外，在圖3(a)和3(b)中，多個(gè)剪切帶相互交叉，說(shuō)明了剪切帶之間相互作用較強(qiáng)；平行剪切帶較少，說(shuō)明剪切帶之間相互作用較弱，少量剪切帶可以獨(dú)立形核或擴(kuò)展。

       由于薄帶在第1次和第3次彎折情況下，剪切帶受壓應(yīng)力作用，所以圖3(c)和3(d)呈現(xiàn)出多個(gè)剪切帶擠壓變形的情況，當(dāng)擠壓變形達(dá)到一定程度，多個(gè)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(qū)域，一次剪切帶在多次受力作用下，剪切帶擴(kuò)展為裂紋；而在圖4(a) 和4(b)中的A區(qū)，發(fā)現(xiàn)較多的二次剪切帶；而在圖4(b)中的B區(qū)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二次剪切帶；另外，剪切帶相互擠壓變形情況也并未發(fā)現(xiàn)。

       這是因?yàn)閺澱鄞螖?shù)較多時(shí)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力相應(yīng)較小，在拉應(yīng)力作用下形成剪切帶在較小壓應(yīng)力作用下達(dá)不到擠壓變形；當(dāng)再次受到較小拉應(yīng)力作用時(shí)，剪切帶進(jìn)一步擴(kuò)展，部分剪切帶能夠擴(kuò)展為裂紋，部分剪切痕跡進(jìn)一步加深。所以，剪切帶擠壓變形與所受壓應(yīng)力大小有關(guān)。另外，剪切帶相互交叉較少，說(shuō)明剪切帶在較小拉應(yīng)力和較小壓應(yīng)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(xiàn)出晶體材料延性斷裂的網(wǎng)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(jié)果。在非晶合金中，并不存在第二相，均為非晶相，而在非晶結(jié)構(gòu)中，存在大量的非晶團(tuán)簇。

       在非晶相中，韌窩形貌的形成是由于非晶團(tuán)簇在切應(yīng)力作用下存在剪切轉(zhuǎn)變區(qū)， 多個(gè)剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂即形成了非晶合金的韌窩。

       利用掃描電子顯微鏡對(duì)折斷后薄帶的剪切帶及斷口進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，1次彎折剪切帶只在拉應(yīng)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(dú)立形核并進(jìn)行擴(kuò)展；3次彎折剪切帶在交變應(yīng)力作用下，多個(gè)剪切帶相互交叉，剪切帶之間的相互作用較強(qiáng)，且少量的剪切帶可以獨(dú)立形核或擴(kuò)展；5次彎折剪切帶受交變應(yīng)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(fā)現(xiàn)韌窩。

       韌窩形貌的形成是由于非晶團(tuán)簇在切應(yīng)力作用下存在剪切轉(zhuǎn)變區(qū)，多個(gè)剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂即形成了非晶合金的韌窩。