金属玻璃基复合材料率敏感性变形行为的数值模拟

基于已有的块体金属玻璃基复合材料(BMGCs)在室温准静态不同应变速率加载下的实验研究,拟运用有限元软件ABAQUS对BMGCs的率敏感性变形行为进行数值模拟研究,并将模拟结果与实验结果进行对比,验证有限元模型的合理性。金属玻璃基体和增韧相的本构模型分别采用自由体积模型和各向同性双线性Cowper-Symonds模型。将自由体积模型编写成用户材料子程序(UMAT),在有限元计算过程中调用该子程序来描述金属玻璃基体的变形行为,并利用von-Mises等效剪切塑性应变表征剪切带的萌生和扩展。然后分别假定增韧相表现率效应和不表现率效应,在这两种情形下进一步讨论不同应变率加载时复合材料中等效塑性应变的分布以及剪切带的萌生和演化规律,探讨BMGCs的率敏感性变形行为以及失效机理。结果表明:(1) BMGCs的率敏感性由基体和增韧相的率敏感性共同决定;(2)不管增韧相是否表现率效应,当应变速率越大时,BMGCs基体内剪切带扩展得越快,复合材料越容易发生破坏;(3)相比于增韧相不表现率效应,当增韧相表现率效应时复合材料的宏观塑性变形能力得到提升。     

Zr基非晶合金准静态压缩下的多重剪切带行为

利用IUTM和SEM研究了Zr-Ti-Ni-Cu块状非晶合金的准静态单轴压缩变形和断裂行为. 研究表明:该合金的室温压缩变形过程主要表现为弹性和塑性变形,塑性变形阶段没有加工硬化现象. 在准静态压缩条件下Zr基非晶合金表现出多重剪切效应,提高了塑性. 微观研究证明,剪切带的滑移分枝与相互交叉是非晶合金塑性提高的主要机制. 沿着剪切带发现了微空洞和微裂纹,剪切带的形成与自由体积的合并有关. 塑性变形过程中形成脉纹状断口形貌,受力状态的不同脉状花纹表现为不同的形式.     

成分调制对锆基块体非晶合金力学性能的影响

研究了Zr-Al-Ni-Cu块体非晶合金中Zr元素含量变化对合金力学性能的影响.利用X射线衍射仪和透射电子显微镜表征合金的结构;利用差示扫描量热仪研究非晶合金的热学性能;采用万能试验机测试材料的压缩力学性能;采用扫描电子显微镜观察压缩变形后试样的剪切带形貌.研究结果表明:随着Zr元素的摩尔分数从66%增加到70%,压缩塑性变形量从3%提高到11%,合金表面的剪切带密度明显增大,非晶合金的塑性变形能力提高.随着Zr元素含量的增加,非晶合金的弛豫热明显增大,自由体积含量增多,有利于多重剪切带的形成,从而增大了合金的塑性变形能力.     

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料动态变形特征

利用分离式霍普金森压杆装置,对三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料进行不同应变率下的动态压缩实验,采用扫描电子显微镜研究复合材料的动态变形特征和断口形貌.结果表明:复合材料的动态压缩强度随着打击速度的增加而增加;试样发生劈裂和剪切断裂,陶瓷相断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂,非晶合金发生粘性流动,断口形貌复杂多样.在应变率＞104 s-1的冲击载荷下,非晶相表现为软化后的多重脊状条带.复合材料断口上大量的非晶球形液滴及非晶软化条带的发现表明,绝热温升在非晶变形与断裂过程中起重要作用.     

非晶合金材料的变形与断裂

系统地研究了不同非晶合金材料的拉伸、压缩变形与断裂特征,总结了不同非晶合金材料拉伸与压缩断裂的不对称性,在此基础上提出了一个新的参数α=τ0/σ0和统一拉伸断裂准则,将最大正应力准则、屈特加准则、莫尔-库仑准则和范米塞斯准则有机地统一起来．观察到具有剪切变形行为的非晶合金,其压缩塑性随样品的高径比减小而逐渐增加;提出了剪切带旋转机制来解释具有高塑性非晶合金材料压缩变形过程中剪切带的偏转,总结了钨丝和原位析出枝晶对非晶合金复合材料韧化效果的不同作用,讨论非晶合金材料压缩剪切断裂、劈裂和破碎的竞争关系,采用动态断裂理论解释了某些脆性非晶合金解理断裂表面上的规则纳米尺度断裂台阶的形成;提出了α=τ0/σ0是控制非晶合金发生剪切变形与断裂、劈裂以及破碎失效与否的本征参数．     

Al-Ni-Y纳米非晶复合材料的制备及显微组织

利用 X射线衍射及透射电镜对单辊旋淬法制备的具有良好韧性的 A l-Ni-Y合金条带进行了研究 ,结果表明 ,合金成分不同 ,其组织结构也不同。当快凝 Al95Ni3Y2 合金时 ,快凝组织为完全晶态相 ;当快凝 Al91 Ni7Y2 合金时 ,可形成由部分非晶和部分晶体组成的复合材料 ,此材料结构为 :纳米级 Al晶体均匀弥散分布在非晶基体上 ;随 Y和 Ni元素含量的增加 ,快凝显微组织为完全非晶结构。     

第二相对Zr基非晶复合材料力学性能的影响

通过铜模铸造法制备了最大厚度达5mm的板状（Zr70Ni10Cu20）82．Ta8A10非晶复合材料,不同的冷却速度使制备的不同厚度的非晶复合材料含有不同的延性相和脆性相．延性Ta固溶体粒子的存在可以促使多重剪切带的萌生,导致剪切带分叉、阻碍剪切带或者裂纹的扩展来提高材料的塑性;而廷性Ta固溶体周围脆性相的析出减弱了固溶体与非晶基体的界面结合强度,进而降低了Ta固溶体提高塑性的能力,同时非晶基体中的脆性相起到了促使裂纹形核、引起低应力脆断的发生,随着脆性相数量的增加,试样的断裂模式也由失稳屈曲-剪切模式向劈裂模式转变．     

Zr_（55）Al_（10）Cu_（30）Ni_5块体非晶合金轧制塑性变形三维有限元分析

利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析有限元法对Zr55Al10Cu30Ni5块体非晶合金的室温轧制塑性变形过程进行模拟计算,分析了非晶合金变形区域内的最大剪切应力分布与压下率的关系。计算得出了稳定轧制阶段不同压下率下非晶合金的应力和应变分布。计算结果表明,轧制变形区的最大剪切应力随压下率的增大而增大,并且在最大剪切应力超过屈服应力的局部区域非晶合金发生了非均匀塑性变形。模拟分析的结果与实验研究结果相符合,从而为进一步研究室温轧制变形诱导非晶合金微观结构变化提供理论依据。     

三维连通网状SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料室温单轴压缩断裂行为

在室温下,利用WDW-E100D万能试验机和SEM研究了三维连通网状结构SiC陶瓷/Zr基非晶复合材料的准静态单轴压缩变形和断裂行为. 结果表明,复合材料的轴向压缩断裂强度达到了1270MPa,在压缩条件下复合材料的断裂发生在弹性变形阶段,断裂前观察不到塑性变形;试样发生纵向劈裂和剪切断裂;三维连通网状结构SiC陶瓷是主要的承载单元,断口形貌为层片状、台阶式的解理断裂;非晶合金发生粘性流动,在变形过程中形成纹脉状断口形貌,出现典型的热软化效应.     

大块金属玻璃及高熵合金的合金化作用

摘要研究了合金化对大块金属玻璃和高熵合金的组织和性能的影响．结果表明Nb元素能有效改善W纤维／Zr基大块非晶复合材料的界面结合状态,从而改善材料的力学性能;稀土Y元素大的原子半径,使合金形成的晶体产生附加的晶格畸变能,从而降低晶体的稳定性,进而使得合金玻璃形成能力也相应提高,所产生晶格畸变能的大小与形成晶体的致密度有关;Mg基大块非晶合金可以通过合金化生成长周期相韧化的复合材料,从而具有优异的塑性变形能力和比强度;高熵合金通过适当合金化手段能够形成以无序固溶体为主的组织,并具有不弱于大块非晶合金的室温力学性能．     

长纤维复合材料非线性细观模型

本文基于Huang细观理论弹性模型,建立桥联参数与基体等效塑性应变的函数关系式,从基体塑性及塑性应变改变复合材料应力场分布两个方面研究复合材料非线性。从而,细观力学桥联模型能够分析基体塑性变形对基体与纤维协同工作的影响。本方法运用传统塑性理论计算基体的塑性变形,以改进的桥联矩阵考虑分配基体和纤维应力,计算过程相对简明。最后,本文用该方法分析了单向复合材料剪切性能,理论计算值与实验结果吻合较好。     

5083铝合金表面化学镀Ni-P镀层的力学性能

采用化学镀方法在5083铝合金基体上制备了Ni-P非晶薄膜,采用纳米压痕技术在不同应变速率下研究Ni-P非晶薄膜的硬度、弹性模量和变形行为.结果表明,Ni-P非晶薄膜硬度不是一个恒定值,与纳米压痕的压入深度有关,而弹性模量基本保持不变;载荷-深度曲线出现跳跃及台阶现象与应变速率有关,应变速率愈慢,曲线出现台阶现象越明显;跳跃台阶源于单个剪切带的开动,而在高的应变速率条件下,由于多个剪切带的开动,曲线上便不出现跳跃台阶.     

大块金属玻璃剪切带形成的“原位”压缩实验研究

对一种锆基大块金属玻璃材料进行了室温下的准静态SEM"原位"压缩实验,并对其剪切带行为进行了研究.测得的宏观应力应变曲线表现出理想弹塑性响应.对样品变形过程中和断裂后的表面剪切带斑图进行的分析表明,多重剪切带的形成及其交割和分叉行为能显著提升其金属玻璃材料的塑性变形能力.采用Mohr-Coulomb模型对其断裂偏离最大剪应力平面的现象进行了描述.基于金属玻璃塑性变形的自由体积模型,对剪切带交割点产生的纳米尺度空洞和微裂纹形成机理进行了分析.图6,参16.     

铁磁形状记忆合金复合材料力学性能试验研究

通过机械研磨的方法,获得不同尺寸的NiMnGa合金颗粒,在常温条件下,将NiMnGa合金颗粒与E51环氧树脂混合均匀,静置固化得到复合材料试件。对不同的复合材料试件进行压缩-卸载试验,从细观力学的角度分析不同体积分数和不同尺寸各向同性的NiMnGa合金复合材料试件的应力-应变曲线,研究了NiMnGa合金颗粒对树脂基的增强效果。分析实验结果表明：在温度不变,外力相同条件下,复合材料相比NiMnGa合金而言,应变相同时需要的应力值更大,并且在压应力卸载为0 MPa后,复合材料会有较小的残余应变。因为环氧树脂基体包裹合金颗粒,所以NiMnGa合金颗粒在产生应变时会受到阻碍,由于基体的存在,传递到NiMnGa合金颗粒的外载荷较小,大部分载荷由环氧树脂基体承担,这样可以改善合金颗粒易碎的缺点。不同尺寸的NiMnGa合金颗粒影响复合材料的应力应变,但复合材料发生马氏体变体重取向的临界应力为40 MPa左右。随着合金颗粒含量的增加,压缩应力卸载后,复合材料产生的残余应变会更大。这样复合材料缓冲的效果更好。     

Mg-5.3Zn-0.8Zr镁合金高温变形行为的热模拟研究

采用Gieeble-1500热模拟试验机进行压缩实验,研究Mg-5.3Zn-0.8Zr镁合金在变形温度为473～723 K、应变速率为0.01～1.00s-1的变形行为.分析合金流变应力与应变速率、变形温度之间的关系,计算高N(573～723 K)下合金变形时的应力指数和变形激活能,并采用Zener-Hollomon参数法构建该合金高温塑性变形的本构关系.研究结果表明:在实验变形条件范围内,合金的真应力-真应变曲线为动态再结晶型;在573～723 K,应力指数随着变形温度升高而增加,而且增加的幅度逐渐增大,变形激活能随着变形温度和应变速率的改变而发生变化.     

Fe对Zr_(55)Al_(10)Ni_5Cu_(30)非晶形成能力及力学性能的影响

为了进一步提高锆基大块非晶合金的玻璃形成能力及力学性能,采用铜模吹铸法制备了(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)100-XFeX(X=1,5,10)系列合金,通过X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)以及压缩实验和SEM进行材料分析。研究表明:微量Fe有助于改善非晶合金在压缩变形时剪切带内的应力分布,提高材料的综合性能,当Fe添加量为1%时,塑性应变εp达到5.9%,强度达到1.89GPa,同时,随着Fe添加量的增加,过冷温度区间△Tx减小,热稳定性减小,非晶形成能力降低。     

大块非晶合金塑性变形本构模型的研究进展

与常规材料相比,大块非晶合金具有优越的使用性能,但其在室温下难以成形。利用过冷液相区的特性,大块非晶合金可以获得优异的成形性能。作为描述非晶合金变形过程的重要手段,非晶合金的本构模型是利用数值模拟研究非晶合金变形必不可少的条件之一。通过建立本构模型来研究非晶合金的塑性变形行为及成形性能,已经得到国内外学者的广泛关注,但目前尚无统一的理论。由于非晶合金的结构具有长程无序的特点,用于解释晶体塑性变形的位错理论不适用于解释非晶合金的塑性变形。对近年来国内外学者在大块非晶合金塑性变形本构模型方面的研究进行了全面的的总结,并简要分析了其局限性及发展趋势。     

CoCrNiSi0.3中熵合金动态剪切性能及其织构演化研究

利用分离式霍普金森压杆对CoCrNiSi_0.3中熵合金进行动态加载，研究不同应变率下的压缩性能，发现其对应变率较为敏感，且有明显的应变率强化效应。准静态压缩下(应变率10^-4 s^-1),应变率敏感度m为0.13,而动态压缩下(应变率5 150 s^-1)m为0.25.通过帽型剪切实验，研究了该合金的剪切性能，结果表明准静态剪切屈服强度为330 MPa,动态剪切的屈服强度为630 MPa.随预留剪切区域宽度的增加，峰值应力有所下降，但剪切失效应变明显增加，当预留剪切区域宽度为50μm时，剪切应变高达12.8.通过剪切“冻结”实验，研究了剪切变形的增大对材料内部的晶粒微观结构和织构演化特征的影响。结果表明，晶粒内的几何必要位错密度随变形加剧而增加，变形织构向A、P类型织构演化，同时Cu型织构逐渐减少。在绝热剪切带形成前，功热转换计算的温升缺乏准确性，佐证了绝热剪切带的形成并不是由热软化引起的。     

钨铜合金准静态压缩性能研究

利用WDW-E100D型微机控制电子式万能试验机、S-4800场发射扫描电镜和XRD等分析测试方法,研究W-Cu20准静态压缩性能及其变形特征.结果表明:退火处理能消除制备W-Cu20合金时产生的内应力,提高其塑性变形能力,同时降低抗压强度.W-Cu20合金准静态压缩在剪切面上产生形变带,钨相形态发生较大变化,沿剪切面方向由球形变为条形,经800℃退火处理后的组织中形变带最显著.     

合金材料锯齿形塑性失稳的实验研究与机理分析

轻质高强度合金具有重要的应用背景,而其机理仍未解明的锯齿型塑性失稳现象制约了它们的应用,同时该问题也是材料科学家关注的一个热点问题.基于实验力学的研究,作者所属的光测细观力学课题组提出用动态散斑方法研究合金材料锯齿形屈服剪切带,观察到带形成演化和传播的时空特征、带内应变动态分布和剪切带雪崩变形时拉伸试件的瞬态收缩变形;用固溶处理方法调节合金材料内部溶质原子浓度和析出纳米相颗粒大小与分布,观察到随之变化的锯齿与剪切带的时空特征演变,发现了溶质原子浓度与析出相颗粒这两种因素分别在不同固溶处理温度对动态应变时效起主导作用;建立了基于溶质原子与位错交互作用的物理唯象模型,得到不同加载应变率下与实验相符的锯齿形加载曲线,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹.