金属玻璃的动态增韧和损伤演化机理

发布时间：2020-12-24 00:17

　　金属玻璃独特的非晶结构使其具有许多优异的力学、物理性能,因而在装甲防护领域拥有广阔的应用前景。为满足这类应用的需求,需要加深对其动态力学性能以及损伤演化规律的认识。本研究通过先进的实验测试、表征手段,结合理论分析和有限元模拟方法,构建了一个耦合非晶塑性和动态孔洞扩展理论的本构模型,实现了对强动载三轴应力状态下金属玻璃的“韧脆转变”行为的模拟,揭示了不同冲击压力下层裂损伤演化模式的转变机制。主要研究内容和结论如下:（1）实验研究基于一级轻气炮开展平板撞击实验,研究金属玻璃及其复合材料的动态力学行为和层裂损伤演化。实验过程中使用激光干涉仪对材料的宏观力学响应进行原位实时监测,并结合扫描电镜、电子背散射衍射、X射线断层扫描等多种表征手段对回收样品进行微细观尺度的分析,并通过进一步的统计分析获取杯锥结构的圆锥角、顶点间距、朝向等特征参量,为分析不同冲击压力下的“韧脆转变”行为提供了有力支持。针对复合材料的研究表明:虽然复合材料的层裂强度低于纯金属玻璃,但其损伤演化速率和终态损伤程度也小于纯金属玻璃。这源自于脆性非晶基体中的韧性晶体颗粒具有的双重作用,颗粒既作为损伤成核源,降低层裂强度;也通过自... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：167 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

金属玻璃复合材料准静态加载下的力学性能[10]。

针对前文提到的Ta颗粒增强金属玻璃基复合材料,Ott、Hufnagel等[26]使用X射线原位探测研究其在准静态压缩加载下的应力-晶格应变关系,发现当加载应力为325MPa左右时,颗粒发生屈服并将载荷转移到周围的非晶基体,颗粒周围应力水平显著低于远处应力场。由于具有较高的屈服强度,基体依然保持弹性。Ott等认为该加载过程中基体与颗粒间的塑性应变失配所带来的应力集中是材料内部萌生多重剪切带的原因。相比于纯金属玻璃中的少数主剪切带,复合材料中的多重剪切带对能量耗散有极大贡献,从而起到提高宏观塑性、延缓灾难性断裂的作用。同时,Ott等基于SEM扫描结果建立二维有限元模拟网格,模拟结果表明材料整体的屈服强度会随着颗粒屈服强度的增加而增加。Hardin等[24]通过有限元模拟发现当增强颗粒具有较高屈服强度时,单独增加颗粒体积百分比并不能有效促进塑性变形。而过低的颗粒屈服强度又会降低材料整体的屈服应力,与Ott等的研究结果相似。而在非晶-晶体层合材料中,由于非晶相的强度一般大于复合的晶体相,若根据复合材料的硬度混合律,材料整体强度将随非晶体积百分数增加而增加。

另一个关键问题是,晶体和非晶的微观变形机制在界面处是如何过渡的,或者说其中一种变形在界面处是如何激活另一种变形模式的。Zhou、杨卫等[23]认为,非晶基体中的剪切带是通过非晶-晶体界面处的晶格位错和相邻非晶基体中的不连续剪切的协同作用与颗粒增强相发生作用的,同时在其模拟结果中观察到颗粒周围局部剪切带的偏转、分叉和抑制现象。Pan等[30]使用MD方法模拟了一种晶体间的非晶带,结果显示在非晶—晶体界面处的原子可通过漩涡形流动有效吸收位错变形(图1-4(a)),直到该变形区延伸至非晶带另一侧裂纹才最终成核,且相比于晶体间通过晶界连接的情况,非晶带内萌生的裂纹扩展速度更慢,因此可将非晶界面层作为微观增韧结构提高材料塑性变形能力。也有研究认为[31]界面处的剪切转变区(Shear Transformation Zone,STZ)活动可以减少晶体内的位错激活能,使颗粒更容易发生塑性变形;当颗粒内滑移扩展到另一侧界面时,又能激活新的STZ,从而吸收位错能,并在周围颗粒内再次激活新的位错(图1-4(b)),与Pan的研究结果相似。1.3.1.2预制槽口


本文编号：2934608