内生钛基非晶复合材料在高速率动态冲击下的力学行为

发布时间：2017-06-13 22:09

  本文关键词：内生钛基非晶复合材料在高速率动态冲击下的力学行为，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：非晶合金自问世以来,便受到全世界范围内研究者们的关注。因具有高强度、高硬度、高弹性极限和良好的耐腐蚀和耐磨等优异的性能,非晶合金有作为新型工程结构材料的巨大潜力。然而,在室温加载时,由于高度局部化的剪切带的快速扩展,块体非晶合金通常表现为脆性断裂,这个致命的缺陷大大限制了其在工程领域的应用。为了解决这个难题,研究者们想到了向玻璃基体中引入韧性第二相,即制备非晶复合材料。目前,非晶复合材料主要有两类:内生非晶复合材料和外添加非晶复合材料。内生非晶复合材料因其制备过程简单得到了更为普遍的研究。对于内生非晶复合材料来说,树枝状的韧性第二相均匀地分布在玻璃基体中,可以有效地阻碍剪切带的快速扩展,避免材料过早发生断裂,从而提高材料的宏观塑性。内生非晶复合材料在室温准静态下的变形行为已经得到了广泛的研究。然而,对结构材料来说,要使其能更好地应用于工程领域,实际的复杂多变的服役环境必须加以考虑。例如,更应该关注其在高速率动态加载下的情况。关于材料动态变形行为的信息非常重要,这些信息可以被用于国防、航空航天、精密仪器等领域。但是,有关内生非晶复合材料动态变形行为的报道极少,人们目前还没有对其变形机理形成统一的认识。本课题选取Ti-Zr-V-Cu-Be非晶复合材料体系,重点研究内生非晶复合材料在高速率动态冲击下的力学行为。首先,制备得到一种内生非晶复合材料,其成分为Ti58Zr16V10Cu4Be12。比较了其在准静态压缩和动态冲击下不同的变形行为。结果发现,在准静态压缩下其具有显著的加工硬化能力,塑性应变达到了12.5%,这可归因于树枝晶内部大量的位错堆积。在动态冲击下,材料仍然产生了大约2%的塑性变形,与之前的研究相比,具有一定的突破性。材料在动态下的应变比准静态下的要小很多,这是由于没有足够的时间形成多重剪切带,从而导致了材料抵抗破坏的能力降低。其次,研究了树枝晶尺寸对内生非晶复合材料动态冲击力学行为的影响。发现在动态冲击下,Ti40Zr24V12Cu5Be19表现为脆性断裂,无任何塑性变形,而Ti48Zr18V12Cu5Be17则具有一定的宏观塑性。这是因为后者树枝晶较为粗大,这些树枝晶一方面自身发生塑性变形,另一方面则能够一定程度上阻碍剪切带的快速扩展和促进多重剪切带的形成,避免复合材料过早发生断裂,从而提高了其宏观塑性。再次,通过调控成分,制备得到一种树枝晶体积分数较高、枝晶尺寸较大的内生非晶复合材料,其成分为Ti62Zr12V13Cu4Be9。经过实验,发现其在动态下具有较大的塑性变形能力。利用透射电子显微镜(TEM)和高分辨率的透射电子显微镜(HRTEM)观察了材料在动态冲击后结构的变化,证明韧性树枝晶为复合材料提供了较大的塑性变形,微观上的特征表现为大量位错的堆积和严重的晶格畸变,以及莫尔条纹的出现。最后,在修正的Johnson-Cook(J-C)模型的基础上,构建了非晶复合材料在动态冲击下的本构方程。利用该本构方程可以合理地预测材料在动态冲击下的塑性变形行为,从而在理论上将材料动态冲击下的力学性能与本构方程对应的变形阶段有机地联系在一起。
【关键词】：非晶合金 剪切带 复合材料 动态冲击 力学性能 J-C模型
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG33
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 非晶合金的定义及其发展10-12
• 1.1.1 非晶合金的定义10-11
• 1.1.2 非晶合金的发展11-12
• 1.2 非晶合金的形成原理12-14
• 1.2.1 非晶合金形成的热力学条件12-13
• 1.2.2 非晶合金形成的动力学条件13
• 1.2.3 非晶合金形成的经验判据13-14
• 1.3 非晶合金的性能及应用14-17
• 1.3.1 非晶合金的性能14-16
• 1.3.2 非晶合金的应用16-17
• 1.4 非晶复合材料17-21
• 1.4.1 外添加非晶复合材料18-20
• 1.4.2 内生非晶复合材料20-21
• 1.5 块体非晶合金和非晶复合材料的制备方法21-22
• 1.6 本文的意义和主要内容22-26
• 1.6.1 本文的意义22-23
• 1.6.2 本文的主要内容23-26
• 第二章 材料和实验方法26-32
• 2.1 材料的制备26-27
• 2.1.1 实验原料及成分配制26
• 2.1.2 样品的制备26-27
• 2.2 实验方法及设备27-32
• 2.2.1 表征方法27-28
• 2.2.2 力学性能测试28-32
• 第三章 Ti58Zr16V10Cu4Be12内生非晶复合材料在动态冲击下的力学性能32-40
• 3.1 微观组织32-33
• 3.2 室温准静态压缩力学性能33-36
• 3.3 室温动态冲击力学性能36-37
• 3.4 非晶复合材料动态冲击性能的比较37-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 微观组织对内生钛基非晶复合材料动态冲击力学性能的影响40-50
• 4.1 微观组织40
• 4.2 准静态压缩力学性能的比较40-44
• 4.3 动态冲击力学性能的比较44-46
• 4.4 应变率敏感性的比较46-47
• 4.5 本构方程的建立47-48
• 4.6 本章小结48-50
• 第五章 内生钛基非晶复合材料在动态冲击下的塑性流动行为50-58
• 5.1 微观组织50
• 5.2 准静态压缩力学性能50-51
• 5.3 动态冲击力学性能51-52
• 5.4 应变率敏感性52-53
• 5.5 本构方程的建立53-55
• 5.6 透射电子显微镜观察55
• 5.7 本章小结55-58
• 第六章 结论58-60
• 参考文献60-68
• 致谢68-70
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文70

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本文编号：447728