非晶合金表面损伤行为的研究

发布时间：2020-06-25 04:47

【摘要】：得益于长程无序、短程有序的无定形结构,非晶合金表现出超高强度、优异的耐腐蚀性、优良的导电性、玻璃转变温度附近超塑性的特点,因而成为制作微型超精密器件及其磨具的前景材料。非晶合金表面损伤行为直接制约着这些工件的使用效果及寿命。目前非晶合金表面损伤行为的研究比较分散,本研究针对这一现象采用多样化的实验手段(车削、纳米划痕、微观压缩)系统深入的研究非晶合金在表面损伤过程中的行为特点。研究了超精密切削时,试样表面形貌起伏状况、表面粗糙度在不同实验参数下的变化情况,并探讨了剪切带运动对切削时产生的褶皱状切屑的影响。发现进给速度会对超精密切削过程的稳定性产生影响。从热传导及刀具磨损量角度解释了主轴转速与切削深度对加工后试样表面形貌起伏状况的影响。此外,分析了纳米划移过程与超精密切削过程的相似性,为将具有高时空分辨率的纳米划移技术用于辅助研究超精密切削行为打下了良好理论基础。结合非晶合金自身结构特点,从自由体积之间相互联系的紧密性的角度解释了纳米划移过程中锯齿形成原因。将广泛应用在不连续机制研究中的平均场理论引入到具有间断特点的锯齿行为分析中,并且通过拟合得到临界崩塌尺寸。研究发现自由体积浓度及自由体积能量势垒会影响临界崩塌尺寸。将自由体积流系数方程进一步深化,得出自由体积流系数与临界自由体积流系数间的差值,Δη,并引出非晶合金系统稳定性的概念。Δη与非晶合金的自由体积浓度有一定联系。Δη较小,自由体积浓度较大,此时自由体积间的相互联系增大,说明系统抗外界扰动的能力较好,临界崩塌尺寸较大。同时,较大自由体积能量势垒预示变形过程需要储存更多弹性能,预示较大临界崩塌尺寸。从非线性动力学角度分析了纳米划移过程中的塑性流变行为。研究表明纳米滑行过程中的剪切带行为是一个随机过程。将表观的剪切带行为与直观的数学参数分形维数、赫斯特指数建立联系,把剪切带的局部性质与整体性质量化表征。分形维数越大说明剪切带行为越复杂,赫斯特指数距0.5越远说明剪切带分布越不均匀。研究发现随加载力增加,纳米划移行为会出现一个从混沌状态到稳定状态的转变。混沌意味着简单变化之间相互联系相互影响,衍生出复杂行为,因而在混沌行为中会存在“蝴蝶效应”,即,初始条件的微小变化会对整个系统产生巨大影响。在实践生产中混沌现象应极力避免发生。研究了单轴微观压缩时,剪切带在非晶合金塑性变形中所起的作用。通过原位压缩技术表征出剪切带的动力学特点并将其与应力应变曲线中的锯齿进行对应。剪切带的不同阶段被概述出来:剪切带形成、剪切带传播、剪切带静态老化。研究中引入界面效应,将多层交替膜微柱压缩与单层膜微柱压缩的塑性变形行为进行比较,认为多层膜中界面能的增加有助于形成较高密度的剪切带,此外,剪切带间相互作用促使多层交替膜的非晶柱压缩塑性增加。这为未来通过调控剪切带行为提高非晶合金塑性提供有效研究思路。本论文的研究结果对于深入理解非晶合金的表面损伤行为,有效调控剪切带行为,进一步认识非晶合金的塑性变形机制,从而开发性能优异的非晶合金器件具有重要意义。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8
【图文】：

１．１引言逡逑根据内部原子的拓扑结构，当代学者将固态材料分为晶态（Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、逡逑准晶态（Ｑｕａｓｉ邋Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、非晶态（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）三大类。如图１．１所示：晶逡逑态固体，分子（原子或离子）呈周期性排列，具有平移对称性；准晶态物质，逡逑分子（原子或离子）呈长程取向性，具有有序分布的特点怛不具有平移对称性：逡逑非晶态物质，原子排列具有长程无序、短程有序的特点。不同于粒子规律性排逡逑列的晶体及准晶体只不过是凝聚态物质中的特例，非晶态物质无处不在，并广逡逑泛存在于人们的日常生活中。具有非晶态特性的玻璃是必不可少的建筑材料；逡逑与现代生活息息相关的工程塑料大部分是非晶态聚合物；造纸、油漆、肥皂行逡逑业中广泛应用的化学原料之一的松香同样具有非晶态结构特点。对非晶态物质逡逑的认知是理解凝聚态物质的重要组成部分。２０世纪初，非晶合金一以金属元逡逑素为主要成分，具有金属键特性的非晶态固态材料，进入科研工作者视野并成逡逑为应用材料行列中的一员。逡逑图丨．丨（ａ）晶态（ｂ）准晶态［２１，邋（ｃ）非晶态的原子聚集状态示意图［３］。逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋（ａ）邋ｃｉｙｓｔａｌｌｉｎｅ１＇１

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【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 蒋敏强;;块体金属玻璃的剪切带行为[J];固体力学学报;2012年02期

本文编号：2728878