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.     

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.     

非晶合金塑脆断裂转变的控制参数

材料的塑脆断裂转变及机理一直以来都是材料和力学领域的研究热点.近百年来,针对晶体材料的塑脆行为,相继发展了一系列弹、塑性的起裂临界判据及塑脆表征参数.非晶合金作为近年来涌现的一类新型结构材料,因具有优异的力学性能,在国防、空天等领域显示出广阔的应用前景.然而,该材料变形局部化剪切带导致的室温低塑性极大地限制了其工程应用.因此,弄清非晶合金的塑脆断裂行为及转变条件显得尤为迫切.在传统理论的基础上,结合非晶合金固有的特性,目前已发展了塑脆转变的单参数和双参数控制理论.本文将对这些理论进行简要的回顾,进一步揭示这些控制参数的相互关联及非晶合金塑脆转变的实质.     

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．     

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.     

钨丝/锆基非晶合金复合材料的动态力学特性

研究不同体积分数的W丝／Zr基非晶合金复合材料的应力—应变响应和动态断裂特征以及断口形貌．利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜(SEM)以及X射线衍射(XRD)，对圆柱形复合材料试样进行了相关研究．研究结果表明：Zr基非晶合金复合材料具有很高的动态压缩强度，随着W丝体积分数的增加，材料的动态压缩强度也增加，当W丝体积分数达到60％时，复合材料动态压缩强度达到2650MPa；断裂表面呈现剪切与W丝劈裂、屈曲混合破坏模式；Zr基非晶体在动态压缩条件下出现了显著的热软化和熔化特征．     

以原子半径和电负性表征镁基非晶形成能力

研究非晶形成能力表征参数,便于开发高非晶形成能力合金。针对镁基块体非晶合金,基于组元原子半径差参数σ和电负性参数Δx对合金结晶过程的影响,提出表征其非晶形成能力的新参数τ=Δxσ,将其表征有效性与目前文献报道的其他表征参数进行对比。线性回归模型分析表明,新参数与临界制备尺寸的拟合程度优于其他表征参数,用τ表征镁基合金非晶形成能力更可靠。与其他参数相比,τ受实验影响小,具有计算简单和稳定性高的特点。     

Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12非晶合金的大塑性与尺寸效应

用铜模吸铸法制备了直径为3,4和6mm的Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12阶梯形圆棒试样,研究了试样尺寸大小对室温塑性和强度的影响.结果表明：φ3mm试样的压缩屈服强度σs为1740.6MPa,极限强度σmax为2030.7MPa,断裂强度σcf为1510.5MPa,塑性应变εp为20.6%,表现出比较大的塑性,存在明显的加工硬化现象;φ4mm试样塑性应变εp为2.6%,屈服强度σs为1748.5MPa,断裂强度σcf为1856.6MPa;φ6mm试样塑性应变φp为0.2%,断裂强度σcf为1221.3MPa.该合金的压缩塑性应变随着块体非晶合金直径的增大而减小,存在明显的尺寸效应,尺寸效应与非晶合金的自由体积有关,冷却速率决定非晶合金中自由体积分数,试样尺寸越小,冷却速率就越大,凝固过程形成的自由体积分数越大,大的自由体积分数促进压缩过程多重剪切带的形成从而有利于塑性的提高.     

Fe基块体非晶合金在纳米压入过程中的变形行为

摘要Fe基块体非晶合金具有极高的强度但通常表现出显著的宏观脆性,因此用常规拉伸、压缩等方法对这类合金的塑性变形行为和机理的研究具有很大困难．利用纳米压入和单轴压缩方法研究了Fe52Cr15Mo9Er3C15B6块体非晶合金的变形行为,考查了不同加载速率和不同晶化程度对变形行为和力学性能的影响,结果表明铸态和不同晶化程度样品在所研究的加载速率范围内的塑性变形过程中均未出现锯齿流变现象．用剪切带的时间和空间特性探讨了这种Fe基块体非晶合金在纳米压入过程中的特殊变形行为及其形成机制．     

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.     

脆性岩石反平面剪切(III型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒(I III型)加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切(III型)断裂的机理。计算结果表明:在反平面压剪加载下,当压模角α为55 o～70 o,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切(III型)断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石III型断裂和测定岩石III型断裂韧度KIIIC的有效实验方法。     

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。     

脆性岩石反平面剪切(Ⅲ型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒（Ⅰ＋Ⅲ型）加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切（Ⅲ型）断裂的机理。计算结果表明：在反平面压剪加载下,当压模角α为55°～70 °,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切（Ⅲ型）断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石Ⅲ型断裂和测定岩石Ⅲ型断裂韧度KⅢC的有效实验方法。     

1420Al-Li合金高温塑性变形沿晶断裂行为分析

Al Li合金的工艺塑性较低 ,存在高温沿晶脆性断裂现象 ,其断裂机制至今国内外都未进行系统的研究。采用Gleeble 150 0热模拟试验机 ,对铸态 142 0Al Li合金在变形温度t为 350～ 4 50℃、应变速率 ε为 0 .0 1～ 10s- 1的条件下 ,进行了高温拉伸热模拟实验研究。在实验基础上 ,研究了 142 0Al Li合金的高温拉伸断裂行为。结果表明 ,随着变形温度和应变速率的提高 ,142 0Al Li合金高温拉伸断裂模式由典型的穿晶韧性断裂转变为沿晶脆性断裂。研究说明 ,氢是引起 142 0Al Li合金高温沿晶脆性断裂的根本原因 ,并对 142 0Al Li合金高温氢致断裂的机理进行了探讨 ,提出了“高温氢脆是由于动力和静力二者综合作用的结果”的观点 ,丰富和发展了氢脆理论。     

Zr基与Ti基非晶合金的不同划痕变形行为

采用痕法研究了Zr47.9Ti0.3Ni3.1Cu39.3Al9.4与Ti40Zr25Be30Cr5两种非晶合金的塑性变特征,考查了载荷与痕速度对塑性变特征的影响.结果表明两种铸态非晶合金样品的剪切带表现出同的特征：Ti非晶合金在痕两侧剪切带现分枝特征,随着载荷和痕速度的增加,出现多重分枝和混乱分特征;而Zr非晶合金的剪切带特征以一次剪切带为主,随载荷和痕速度增加,剪切带特征向单一、平滑趋势转变.进一研究了弛豫对Zr非晶合金痕变特征的影响,发现弛豫使Zr非晶合金剪切带向分枝特征转变.从自由体积观点探讨了两种合金中同剪切带特征的和演制.     

反平面剪切(Ⅲ型)加载下岩石断裂特征的有限元分析

采用有限元方法分析了在反平面剪切（Ⅲ型）加栽下岩石裂纹尖端的应力场及其尺寸效应，探讨了岩石在Ⅲ型加栽下的起裂角与断裂机理，并与实验结果加以对比．结论表明，在Ⅲ型加栽条件下，岩石不一定产生沿原裂纹面裂纹扩展的Ⅲ型断裂．当试件的最大剪应力与最大拉应力之比τmcr／σ1小于其临界值之比τ1／σ2时，往往产生偏离原裂纹面方向而沿着最大拉应力方向的拉伸（Ⅰ型）断裂，断裂轨迹为一空问螺旋面．为实现Ⅲ型加栽下沿原裂纹面扩展的Ⅲ型断裂，建议采用S／L〉0．8和a/w〈0．2的反平面冲剪试件．     

不同加载应变率下钨合金变形及破坏机理研究

采用准静态压缩、霍普金森动态压缩以及爆炸加载3种不同加载方式,研究了钨质量分数为97.5%的高钨合金在不同加载应变率条件下的变形以及破坏机理.试验结果表明:钨合金在应变率为10-4s-1准静态加载条件下,大量钨颗粒在与轴向呈45°方向发生拉伸塑性变形并在径向发生解理断裂;在应变率为103s-1量级的动态压缩条件下,钨合金在与加载应力呈45°方向发生了局部剪切,径向外表面发生钨-钨断裂以及钨颗粒解理断裂;爆炸加载应变率达到105～106s-1的条件下,钨合金内部产生大量钨颗粒碎块,且在个别钨颗粒内产生条状花样,同时钨颗粒内部产生大量形变孪晶作为裂纹萌生源,增加了钨合金内钨颗粒解理断裂.钨合金在高应变率加载条件下为纯脆性断裂.     

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.     

大块非晶合金力学性能研究进展

对大块非晶合金力学性能研究领域的最新进展进行了综述,介绍了新型不同系列大块非晶合金的结构和成分特点,特别是与传统晶态合金相比,相同成分的大块非晶合金具有优异的力学性能,其弹性比拉伸断裂强压缩断裂强度、弯曲断裂强度、摆锤冲击断裂能、断裂韧性和弯曲疲劳强度均较高,同时,对此类合金的应用前景进行了简要评述。     

最大有效力矩准则的理论与实践

共轭断裂面对σ₁一侧为锐角(一般小于60°),而共轭变形带面对σ₁一侧为钝角(一般为110°)。锐角可用力学的摩尔-库仑准则解释,钝角则可用最近提出的最大有效力矩准则予以说明。最大有效力矩准则的数学表达式为M_eff=0.5(σ₁-σ₃)Lsin2αsinα。式中, σ₁-σ₃ 代表变形岩石的屈服强度, L为单位长度, σ为σ₁与变形带间的角度。该准则证明最大有效力矩出现在σ₁轴左右54.7°方向。55°±10°区间力矩无显著变化,天然和实验的观测值全部在该区间内。该准则在实践中可解释膝褶带、伸展褶劈理、膏盐层中的屈服带、低角正断层、高角逆断层、结晶基底中的菱网状剪切带、地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造和前陆盆地中的拆离褶皱等地质构造的形成,可藉以确定有关构造形成时的应力状态和运动学涡度,并说明推覆构造与伸展构造间的运动学和动力学关系以及深俯冲超高压岩石的折返-出露机制。