[论文解读] Transformation-mediated Plasticity in CuZr based Metallic Glass Composites: A Quantitative Mechanistic Understanding

Baoan Sun, Kaikai Song+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Metallic Glasses and Amorphous Alloys参考文献 45被引用 3

一句话总结

本研究基于Eshelby理论提出了一种定量的微力学模型，用于解释CuZr基金属玻璃复合材料中的转变介导塑性。结果揭示了B2 CuZr颗粒中的马氏体相变如何诱导弹性应力场，从而稳定剪切带并实现加工硬化，其预测结果与实验观察到的三种不同剪切带形态及应变硬化行为高度一致。

ABSTRACT

In this paper, we present a thorough stress analysis of the Cu-Zr metallic-glass composite with embedded B2 particles subject to a martensitic transformation. Within the framework of the Eshelby theory, we are able to explain, in a quantitative manner, (1) the formation of three types of shear bands with distinct morphologies as observed experimentally in the severely deformed Cu-Zr metallic-glass composite and (2) the work hardening ability of the Cu-Zr metallic-glass composite as related to the coupled effects of elastic back stress and elastic mismatch caused by the martensitic transformation. Furthermore, we also discuss the issues about the stress affected zone of the individual B2 phase and the stability of the crystalline-amorphous interface. Given the general agreement between the theoretical and experimental findings, we believe that the outcome of our current work can lead to a deeper understanding of the transformation-induced plasticity in the Cu-Zr based metallic glass composites, which should be very useful to the design of the metallic-glass composites with improved ductility.

研究动机与目标

• 解决当前对CuZr基金属玻璃复合材料中B2相转变周围应力重分布缺乏定量理解的问题。
• 解释严重塑性变形复合材料中实验观测到的三种不同剪切带形态。
• 量化由马氏体相变引起的弹性后应力与弹性不匹配共同作用导致的加工硬化行为。
• 分析单个B2相周围受力影响区域的应力状态，以及晶体-非晶界面的稳定性。

提出的方法

• 应用Eshelby理论，模拟B2 CuZr颗粒中马氏体相变引起的本征应变所导致的弹性应变与应力场。
• 通过本征应变张量分解与坐标变换，推导出基体中受约束应变与应力场的显式表达式。
• 采用纯剪切与体积变化本征应变分量，表征B2相中由相变引起的体积与形状变化。
• 引入材料参数（如泊松比、剪切模量与体积模量），计算应力重分布。
• 利用主应变分量与方向相关本征应变效应，分析玻璃基体/晶体界面处的压力分布。
• 将理论预测与实验观测的剪切带分布模式及应变硬化系数进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 B2 CuZr颗粒中的马氏体相变如何定量影响周围金属玻璃基体的应力状态？
• RQ2 何种机制可解释在严重变形复合材料中形成三种不同形态剪切带的成因？
• RQ3 由相变引起的弹性后应力与弹性不匹配如何共同贡献于观测到的加工硬化行为？
• RQ4 单个B2颗粒在相变过程中，其周围受力影响区域的性质是什么？
• RQ5 在相变诱导的应力场作用下，晶体-非晶界面的稳定性如何？

主要发现

• 该模型成功预测了三种不同剪切带形态（平行、分支状与折曲状）的形成，其依据为B2相变引起的取向依赖性应力场。
• 复合材料的加工硬化系数可由弹性后应力与弹性不匹配的共同作用定量解释，其中后者源于马氏体相变过程中的体积变化。
• 由B2相变在玻璃基体上产生的最大压应力为 $ p_{\text{max}}^{T} = K\tilde{\rho}^{T}(1+\rho)(1-2\nu)/(1-\nu) $，其中 $ \tilde{\rho}^{T} $ 为剪切本征应变，$ \rho $ 为与主应变相关的形状参数。
• 应力场具有各向异性，且强烈依赖于相变应变方向相对于加载方向的取向，当相变法线与粒子中心指向的径向矢量对齐时，产生最大压应力。
• 模型预测B2颗粒周围存在稳定的受力影响区域，应力场按 $ r^{-3} $ 与 $ r^{-5} $ 衰减，与Eshelby对椭球形弥散相的解一致。
• 理论预测的剪切带分布与应变硬化行为与实验数据高度吻合，验证了该模型的物理基础与预测能力。