Deformation in the glass transition range of zirconium based bulk metallic glasses
Déformation dans l'intervalle de transition vitreuse de verres métalliques
Résumé
Interest in the mechanical behaviour of metallic glasses, materials with no long-range order, has picked up recently due to the development of alloys that are “amorphisable” at low critical quenching rates. These new alloys are now able to be prepared as bulk specimens of mm to cm size. The possibility to elaborate bulk specimens of metallic glasses, as opposed to ribbons which were studied previously, means that true bulk mechanical properties can now be investigated. Of the different metallic glasses existing, it is the zirconium based alloys that has reached use in the industrial scale. The aim of this study is to characterise the homogeneous deformation of bulk zirconium-based metallic glasses in conditions around the glass transition temperature. The material was studied primarily using constant strain rate compression tests, and internal friction tests. Microstructural characterisation was done by DSC, X-Ray diffraction and neutron diffraction.In this work, an elasto-viscoplastic model that describes the deformation behaviour of bulk metallic glasses around the glass transition temperature is proposed. The model is based on the concept of free-volume, developed by Spaepen, coupled to a kinetic equation for the formation-annihilation of flow defects. Mechanical behaviour and microstructural evolution are well reproduced by the model. The model also explains the existence of a master curve for viscosity in temperature and strain rate, and reproduces the transients observed during deformation and seems to establish the cooperative nature of the elementary mechanisms, however it is unable to describe the internal friction tests.
La déformation des verres métalliques, matériaux dépourvus d'ordre à longue distance, est un sujet actif. L'intérêt pour ces matériaux a été renouvelé par la récente mise au point d'alliages amorphisables à faible vitesse critique de trempe, permettant d'élaborer des échantillons « massifs », de dimensions millimétriques à centimétrique. Parmi les différentes familles existantes, celle à base de zirconium a été l'objet de nombreux développements, atteignant le stade de l'exploitation industrielle. Par ailleurs, la possibilité d'élaborer ces matériaux sous forme massive au lieu de rubans, comme par le passé, permet de réaliser des études des propriétés mécaniques dans de meilleures conditions. L'objet de cette étude est de caractériser la déformation homogène des verres massifs base zirconium dans l'intervalle de température de transition vitreuse. Cette étude est réalisée essentiellement par des essais de compression et de frottement intérieur, la caractérisation structurale étant effectuée par DSC, diffraction des rayons X et des neutrons. La nature des mécanismes de déformation proposée repose sur l'approche du volume libre initialement développée par Spaepen, couplée à une équation cinétique de création-annihilation des défauts d'écoulement. Un modèle élasto-viscoplastique est élaboré. Il permet de retrouver certaines caractéristiques observées expérimentalement : existence d'une courbe maîtresse en température-vitesse de déformation de la viscosité, essais transitoires de la déformation , et semble établir la nature coopérative des mécanismes élémentaires impliqués. Toutefois le modèle est insuffisant pour rendre compte des essais de frottement intérieur.
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