纳米非晶材料的力学性能表征(2)
1 绪论
1.1 纳米非晶材料
纳米非晶材料内部没有晶体材料的晶界、位错等缺陷，其界面可以发生移动，因而有原子的整个体积以及该材料的密度都可以被调整的特征。严重的塑性变形和退火都可以使原材料发生性能上的改变，从而产生新的可用材料。非晶合金的界面在退火后离开原位，因而与这些界面的相关的自由体积发生变化，进而使整个材料的体积发生变化,换言之整个非晶材料的原子结构和密度都发生了变化。实际上，通过控制引入的界面间距和界面离开原位的程度（通过修改退火时间或退火温度），非晶材料的原子结构以及密度（以及所有依据结构/密度的特性）都可以被控制。与之相比，调整晶体的原子结构和密度是不可想象的，因为晶体中的缺陷在退火时不发生移动[1]。同时非晶材料无序的原子堆积结构使其拥有接近理论的硬度、高强度、耐磨性等优良性质。
纳米非晶退火时，最初位于非晶体/非晶体界面的自由体积开始发生位移并持续产生，因此生成了更宽的区域线。经过长时间的退火，最初局限于非晶体/非晶体界面（图1.1a）的自由体积在整个非晶体上发生均匀位移（图1c）。这种移位导致其平均密度比最初形成的纳米非晶材料四个非晶体部分A、B、C、D低(图1a)。此外，非晶体/非晶体界面的移位导致非晶体产生新的原子结构。退火后的纳米非晶材料(图1 C)的结构短程有序。它与图1.1a中的A,B,C,D区域结构不同。同时非晶体/非晶体界面的移位并不局限于二文系统，它也存在于非晶体球内。 [1]
图1.1 纳米非晶材料退火前后界面移位情况[1]
图1.2 CuTi非晶体合金中非晶体/非晶体界面的位移[1]
1.1.1 纳米级别非晶材料
很长的一段时间内人们认为材料的力学性质均匀一致，相同加工条件下力学性能并不随其尺寸、形状、位置变化。但当材料尺寸减至纳米量级时，其表面原子数、比表面积、表面能和界面数量都会迅速增加，这时表面原子占材料原子总数的比例甚至可以达到50 %左右，表面效应对纳米材料的力学性能产生重要影响，因此纳米材料的力学性质与大尺寸材料出现不同。不同颗粒尺寸的材料力学性能将出现差异，也就是说，材料的性能将是样品几何尺度的函数[2]。同时也因为纳米金属晶体的尺寸较小，界面的移位易调节，才更易表现出不同的性质。
传统非晶合金力学性能上有一致命缺陷——极易发生脆性断裂。这是因为非晶体在低温高载荷作用下，弛豫比较慢，只有局域的原子发生剧烈形变，形成局域塑性剪切带。高载荷导致的巨大塑性变形容纳于局域剪切带内，剪切带不已流动，裂纹由此萌生。因为缺少能阻止剪切带快速扩展的晶界和缺陷，裂纹在局域剪切带内迅速扩散，最终导致脆性断裂[15]。而纳米尺度上的非晶材料，其尺寸与剪切带尺寸接近，同时有大量的非晶界面。因而发生塑性变形时，非均匀的剪切力转变为相对均匀的变形[3]，表现在宏观上即塑性略好于传统非晶。
纳米非晶材料与大尺寸的非晶材料相比，具有更高的强度和弹性极限。例如CuZr 基非晶合金在亚微米尺度的强度可以从1.5 GPa 提高到约2.5 GPa，弹性极限从2% 提高到2.5%； 到纳米尺度，其强度提高到约3.5 GPa，弹性极限提高到4%， 甚至更高[19]。这可能是因为对小尺寸非晶合金，其“缺陷”或者流变单元少[20]。
1.2 纳米压痕实验
纳米非晶薄膜的厚度随电镀时间长短发生变化，但其厚度均为微米级别。这样微小的尺寸让使用传统的拉伸方法测量力学性能变为不可能，纳米压痕仪测量很好的解决了这个问题。它的加载力为毫牛级别，深度为纳米级，能很简单的控制加载速度、保载时间、加载力度等因素，并能通过控制热漂移值，剔除环境的影响，为研究薄膜材料力学性能提供便捷。