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成分和多层结构对非晶合金薄膜力学性能的影响

宗瑞磊  
【摘要】: 人们在关注非晶态合金强度的同时也致力于提高其室温塑性。研究发现,非晶态合金的强度和塑性变形行为与合金成分、第二相的加入及变形速率密切相关。非晶薄膜中插入晶体层或非晶层形成多层结构,能影响多层膜的强度和塑性变形行为,值得进行深入的研究。本文使用磁控溅射制备了CuW非晶薄膜和CoZrNb/S(S=Ag, Cu, CuTa)多层膜,使用多种技术表征了其结构,采用纳米压入技术测量了其力学性能(硬度、弹性模量、塑性变形等),研究了多层膜周期结构对硬度的影响,讨论了非晶基多层膜塑性变形的表征、特征及机制。 结果表明,非晶和非晶多层膜发生局域剪切变形,变形特征与应变率、成分、多层结构有关。对于CuW非晶合金,当应变速率和铜含量较低时,载荷-位移曲线表现为锯齿流变特征;随应变率和铜含量的增大,锯齿流变特征减弱,纳米压痕周围的剪切带数量增多,塑性变形能力提高。对于CoZrNb非晶合金,晶体层的加入形成非晶/晶体多层结构能抑制剪切带的扩展,促进剪切带的萌生,提高塑性变形能力;随调制周期的减小,塑性增强效果更加明显。纳米划痕实验表明,非晶薄膜从剪切带萌生、扩展阶段发展到剪切断裂阶段存在一临界载荷,我们可用这个临界载荷定量表征非晶和非晶/晶体多层膜的塑性。CoZrNb薄膜对应的临界载荷是46mN,而周期为8nm的CoZrNb/Cu多层膜的临界载荷大于100mN。非晶CuTa层加入到CoZrNb非晶合金中对塑性变形行为影响不明显。 非晶/晶体多层膜随周期减小表现出不同程度的硬度增强。硬度增强效应与多层膜层间强度错配相关:强度错配变小,硬度增强效应增大,说明针对晶体/晶体多层膜提出的强度错配理论也适用于非晶/晶体多层膜。在强度错配最大的CoZrNb/Ag体系中,在周期较大时(Λ≥16nm)出现软化现象,这是由于大的强度错配导致塑性变形主要局域于硬度较低的Ag层中。 非晶-CoZrNb/非晶-CuTa多层膜由于缺乏阻碍位错运动的增强机制,硬度不随周期变化。实验证实多层膜退火后致密度的提高是由原子平均距离变小(Co-Co平均键长从0.2496nm变为0.2397nm)和缺陷率降低共同引起的。致密度的提高导致CoZrNb/CuTa多层膜的弹性模量和硬度随退火温度的升高而增大。


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