块体非晶合金屈服行为分析

发布时间：2019-11-19 18:12

【摘要】：块体非晶合金因其拓扑无序的结构以及优异的力学、物理和化学性能(如高耐磨性、高耐腐蚀性、高硬度、高强度、高弹性极限、低模量、抗氧化和优异的软磁性能等)而具有广阔的应用前景。然而,块体非晶合金室温下缺乏显著的塑性变形严重限制了其工业化应用。系统地研究应力状态对块体非金合金剪切带的萌生与扩展的影响,不但有助于进一步推进人们对块体非金合金剪切带行为敏感性因素及其影响机制的认识,而且还能为研制具有更高强度、更好延性的块体非金合金材料及其在生活与工程中的实际应用提供理论基础。本文研究了应力状态以及静水压力对块体非晶合金屈服行为的影响。主要内容包括:单轴应力状态和复杂应力状态对块体非晶合金屈服行为的影响;以Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5块体非晶合金(Vit1)为对象,进行了块体非晶合金在限制套筒作用下屈服行为的数值模拟;细致分析了Drucker-Prager(D-P)准则与Mohr-Coulomb(M-C)准则描述非晶合金的屈服行为的适应性或优劣性。本文的主要结果如下:(1)单轴拉伸应力状态下,DP2与M-C计算值相同,DP1计算值比M-C计算值更接近于实验值;在复杂应力状态下,D-P模型对材料的屈服行为描述更为精确。(2)块体非晶合金的剪切和塑性行为取决于样品的几何和应力状态;静水压力与材料的断裂角以及内摩擦系数没有数值上的关联;静水压力对材料屈服的影响相当于一个叠加的正应力,无论是压缩还是拉伸,均对剪切屈服或断裂起抑制作用;正应力效应中蕴含了静水应力效应。(3)用ABAQUS软件模拟了Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5块体非晶合金铜套筒约束下的屈服行为:基于M-C准则数值模拟,材料的屈服强度为2003 MPa;基于D-P准则数值模拟,材料的屈服强度为1776 MPa;在数值模拟中,D-P准则模拟合金的屈服强度比M-C准则模拟值更接近实验值;D-P准则比M-C准则更适应于解释块体非晶合金在套筒限制应力作用下的屈服现象;套筒限制应力作用下,静水压力的存在促进了块体非晶合金中自由体积的增殖及其分布的非均匀性,并且这种自由体积的增殖及其分布的非均匀性,导致了材料的应力应变分布的非均匀现象。
【图文】：

呈现非均匀的变形。单轴拉伸作用下，材料没有明显的屈服与塑性变形生脆性断裂，拉伸曲线为理想弹性型，如图 1.1(a)所示，材料只有少量的剪，呈河流状形貌并以脉状纹络沿中心向外辐射，形成韧窝状形貌，剪切带均向外凸，在微观形貌上呈山脊状堆起；单轴压缩作用下，剪切带明显，次级剪切带以枝蔓状向外延伸，如图 1.1 (b)-(d)所示，材料屈服并有一定性变形，即延性特征，同时，在微观断口上，分布了熔融液滴。在压缩、和扭转的实验中，材料均发生延性形变，断裂面一般呈现锯齿状流变[8]。带的萌生与扩展不但对材料的塑性、韧性等宏观性能有很大的影响，而且体非晶合金的屈服与断裂行为也有很重要的影响[9,10]。理论上，材料的剪切断裂一般发生在最大剪切应力平面，断裂面与应力轴为 45 。目前为止，科学家们针对块体非晶合金进行了一系列拉伸压缩试验现，拉伸载荷作用下，非晶合金的断裂面与应力轴夹角发生偏离，，拉伸时断大于 45 ，一般在 50 - 65 ；压缩载荷作用下，断裂角小于 45 ，一般为 40 -4些研究表明块体非晶合金的拉伸与压缩断裂行为存在明显的不对称性，即拉度差(Strength-Differential, S-D)。(b)(a)

有考虑静水压力对材料屈服的影响。为解决 M-C 准则存在的问题，Drucker 和rager 于 1952 年提出了能考虑静水压力影响的 Drucker-Prager(D-P)屈服准则，也广义 Mises 准则。在 平面上，D-P 准则用光滑曲线来逼近 M-C 准则，于是现了 D-P 系列修正屈服准则。目前，尽管 D-P 屈服准则和 M-C 准则成功地被来分析块体非晶合金屈服行为，但细致分析并甄别它们描述非晶合金在不同应状态下屈服行为的研究鲜见报道。.2.4 块体非晶合金的应用曾有这样一个故事，男孩们在踢足球时，不小心把球踢到窗户上，打碎了璃，于是美国科学家制成了比钢铁更难打破的金属玻璃。但其脆性的断裂机很大程度上制约了块体非晶合金的发展，因此揭示块体非晶合金的变形与断机制，无论是对寻找或制备具有更好延性的块体非晶合金材料，还是为块体晶合金在工程或生活的实际应用中提供科学依据，都具有非常重要的科学意和实用价值。里奇说：“现在我们正在努力通过改变它的合成成分，增强它塑性，使其比其他的金属玻璃更加牢固。”)(b)
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.8

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本文编号：2563181