本发明专利技术涉及一类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，包括其微观结构特征、变形机制与制备方法，属于非晶合金及其复合材料领域。该类Ti基非晶复合材料的微观组织特点为：内生亚稳β-Ti相分布于非晶基体中。在拉伸载荷作用下，该类Ti基非晶复合材料屈服后，具有拉伸塑性和加工硬化能力。该类非晶复合材料经过最高抗拉强度后，表现为加工软化的特征，并伴随着逐渐明显的锯齿流变行为，其微观变形机制为内生β相中产生ω-Ti带，ω-Ti带与非晶基体中剪切带具有相同的厚度。这种剪切带与ω-Ti变形带的协同剪切变形会迅速贯穿局域β枝晶，但会被附近取向不同的β枝晶所抑制，导致应力应变曲线上出现锯齿行为。导致应力应变曲线上出现锯齿行为。
【技术实现步骤摘要】
兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料
[0001]本专利技术涉及一类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，包括其微观结构特征、变形机制与制备方法，属于非晶合金及其复合材料领域。
技术介绍
[0002]非晶合金具有高强度、大弹性极限、富含化学活性元素，并且由于变形过程中剪切带迅速扩展导致的破坏，使得非晶合金能够保持“自锐性”。这些优异的性能使得非晶合金在某些特定领域具有广泛的应用。然而，单相非晶合金在变形过程中由于剪切带的迅速扩展，通常导致材料无宏观塑性，特别是拉伸塑性，进而导致材料的断裂韧度通常并不好。通过在非晶合金凝固过程中原位析出内生晶态相，可以获得非晶内生复合材料。非晶内生复合材料可以表现出较高的断裂韧度以及拉伸塑性。然而，这些非晶复合材料中内生晶态的塑性变形方式为位错机制或者形变诱发孪晶和相变，这些塑性变形机制可以非常有效地抑制非晶基体中剪切带的扩展，导致非晶复合材料出现均匀变形以及在垂直于拉伸载荷方向面上出现断裂(即正断方式)。为了拓展非晶合金在某些特定领域的应用，亟需开发兼具高强度、特别是兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的非晶内生复合材料！
[0003]材料的剪切破坏方式通常要求塑性变形机制为剪切带，即在最大切应力作用面上快速滑动导致材料破坏，但剪切带的迅速扩展会使得材料无明显宏观塑性。另一方面，在非晶内生复合材料中，尽管内生晶态相对剪切带扩展的阻碍作用导致非晶复合材料具有拉伸塑性，但这些非晶复合材料的剪切被抑制，都发生正断破坏方式，无剪切破坏特征。因此，开发兼具拉伸塑性和剪切破坏方式的非晶复合材材料是非常困难的。
[0004]传统多晶亚稳Ti合金中，快速应变下，如冲击载荷加载过程会诱发β
→
ω相变，ω相呈细窄条分布在β相基体中。这种相变的出现会产生非常高的剪切应变，以此实现对冲击载荷的响应。因此，我们设想能否在非晶合金中引入亚稳β-Ti相，使得亚稳β相在非晶基体相中剪切带的快速扩展撞击作用下出现ω相变形带，这样非晶内生复合材料可能同时具有拉伸塑性和剪切破坏机制。经过系统的实验研究，我们开发了此类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料。
[0005]目前，某些特定领域急需高强度、特别是兼具拉伸塑性和剪切变形方式的非晶复合材料。所以，这类价格相对低廉、富含化学活性组元、非晶基体具有高玻璃形成能力、高强度、特别是兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶复合材料在这些特定领域里具有广泛的应用潜力，具有重要的工业应用和经济效益价值。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，解决现有技术非晶复合材料中内生晶态的塑性变形机制抑制非晶基体中剪切带的扩展，导致非晶复合材料出现均匀变形以及在垂直于拉伸载荷方向面上出现断裂等问题。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其微观组织特点为：
[0009](1)微观组织为内生体心立方结构的亚稳β-Ti枝晶相分布于连续的非晶相基体中；
[0010](2)内生亚稳β-Ti相具有亚稳定性，塑性变形过程中不发生形变诱发α
′
/α
″
马氏体相变；
[0011](3)内生亚稳β-Ti相的体积分数在30％～70％范围中变化，非晶复合材料均同时表现出拉伸塑性和剪切变形方式；
[0012](4)内生亚稳β-Ti相通常出现绝热ω-Ti相，ω相尺寸大小为1～10纳米，弥散分布于内生亚稳β-Ti相中，并与β相保持取向和共格关系。
[0013]所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，内生亚稳β-Ti相中，绝热ω-Ti相的体积百分比为30％以下。
[0014]所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，按摩尔百分比计，Ti基非晶内生复合材料中，Ti的摩尔分数含量为40～60％，其他合金元素为过渡族金属，其他合金元素的摩尔分数含量共计40～60％。
[0015]所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，该类Ti基非晶内生复合材料的制备方法为：电弧熔炼母合金
→
电弧重熔或感应重熔
→
铜模浇铸，电弧熔炼母合金使得组元熔化扩散均匀，通过重熔浇铸，并在快速凝固方式下最终获得非晶内生复合材料。
[0016]所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其拉伸变形机制为：
[0017](1)在拉伸载荷作用下内生β-Ti通过位错机制发生塑性变形，导致非晶复合材料发生宏观屈服，非晶相基体的塑性变形方式为剪切带的萌生与扩展；
[0018](2)非晶复合材料屈服后，表现出拉伸塑性并伴随拉伸加工硬化能力；
[0019](3)在最大拉伸强度后的塑性变形过程中，非晶复合材料表现出锯齿流变特征；
[0020](4)锯齿流变的微观变形机制为：内生β-Ti中出现ω-Ti变形带并与非晶基体中的剪切带联通，出现协同剪切机制；协同剪切变形会被附近不同取向的β相枝晶阻止，该机制的反复出现导致拉伸应力-应变曲线上出现锯齿现象。
[0021]所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其剪切变形机制为：
[0022](1)当非晶复合材料塑性变形发生过程中，内生β相中出现ω-Ti变形带，剪切带的扩展会被内生β相阻碍；连接两侧剪切带的ω-Ti变形带的形成，导致局域塑性变形加速，出现应变突增，并伴随着应力下降；
[0023](2)ω-Ti变形带的形成首先出现在接近最大剪切应力面的枝晶中，由于内生β相枝晶是均匀形核，相邻的β枝晶相具有不同的晶体取向，这种ω-Ti变形带不会直接贯穿相邻的β枝晶；局域塑性变形会被相邻的β枝晶阻碍，此时材料应力逐渐增加，在应力-应变曲线上出现锯齿现象；
[0024](3)随着材料应力的增加，出现另一条ω-Ti变形带，导致该局部的快速塑性变形，再次出现应变突增，并伴随着应力下降；同样，这种局域塑性变形会被相邻的β枝晶阻碍，此
时材料应力逐渐增加，在应力-应变曲线上出现重复的锯齿现象；
[0025](4)ω-Ti变形带的厚度为5～15纳米，与非晶基体中剪切带的厚度一致，即在非晶基体中剪切带和内生β相中ω-Ti变形带的协同剪切作用导致局域的剪切塑性变形；非晶内生复合材料剪切带和ω-Ti协同剪切的局部高应变速率，导致ω-Ti变形带的产生；
[0026](5)上述局域剪切塑性变形机制的不断重复，会导致非晶复合材料发生宏观的剪切塑性变形；宏观剪切塑性区的出现会导致该区域承载能力下降，进而导致其他区域承载应力增高，最终发生正断；从而，Ti基非晶内生复合材料在拉伸载荷作用下的断裂面包括剪切区域与正断区。
[0027]本专利技术的设计思想是：
[0028]本专利技术Ti基非晶内生复合材料的微观组织特点为：具有亚稳体心立方结构的内生β-Ti相分布于连续非晶基体本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一类兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其特征在于，其微观组织特点为：(1)微观组织为内生体心立方结构的亚稳β-Ti枝晶相分布于连续的非晶相基体中；(2)内生亚稳β-Ti相具有亚稳定性，塑性变形过程中不发生形变诱发α
′
/α
″
马氏体相变；(3)内生亚稳β-Ti相的体积分数在30％～70％范围中变化，非晶复合材料均同时表现出拉伸塑性和剪切变形方式；(4)内生亚稳β-Ti相通常出现绝热ω-Ti相，ω相尺寸大小为1～10纳米，弥散分布于内生亚稳β-Ti相中，并与β相保持取向和共格关系。2.根据权利要求1所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其特征在于，内生亚稳β-Ti相中，绝热ω-Ti相的体积百分比为30％以下。3.根据权利要求1所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其特征在于，按摩尔百分比计，Ti基非晶内生复合材料中，Ti的摩尔分数含量为40～60％，其他合金元素为过渡族金属，其他合金元素的摩尔分数含量共计40～60％。4.根据权利要求1所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其特征在于，该类Ti基非晶内生复合材料的制备方法为：电弧熔炼母合金
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电弧重熔或感应重熔
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铜模浇铸，电弧熔炼母合金使得组元熔化扩散均匀，通过重熔浇铸，并在快速凝固方式下最终获得非晶内生复合材料。5.根据权利要求1所述的兼具拉伸塑性和剪切变形方式的Ti基非晶内生复合材料，其特征在于，其拉伸变形机制为：(1)在拉伸载荷作用下内生β-Ti通过位错机制发生塑性变形，导致非晶复合材料发生宏观屈服，非晶相基体的塑性变形方式为剪切带的萌生与扩展；(2)非晶复合材料屈服后，表现出拉伸塑性并伴随拉伸加工硬化能力...
【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，张海峰，张宏伟，付华萌，李宏，朱正旺，王爱民，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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