有限元方法模拟压痕实验研究残余应力对金属玻璃硬度的影响

发布时间：2020-04-18 06:50

【摘要】： 机械加工和热处理所产生的残余应力严重影响块体材料和涂层的力学稳定性。为了得到一个可靠的工程设计,确定材料中的残余应力水平十分重要。上世纪80发展起来的微、纳米压痕技术是研究材料属性的有效方法,同时也是研究材料硬度与残余应力关系的有效手段。研究发现当材料压痕表面产生明显的pile-up时,材料的硬度并不受残余应力的影响。对于大多数的工程材料,压痕表面产生明显的pile-up非常普遍,这使得通过压痕测量确定残余应力的应用受以了限制。近年来发展起来的金属玻璃材料,因为其特殊的微结构而使之具有许多普通晶态材料所不具备的优良的力学、化学及物理性能。金属玻璃材料在机械、通讯、航空航天、汽车工业、化学工业、运动器材乃至国防军事上都具有广泛的应用潜力。本文通过对纯弯金属玻璃块体试件的压痕实验发现残余应力对金属玻璃的硬度存在明显的影响,而这与先前的研究结果存在差异。实验的发现说明通过压痕测量确定残余应力的方法在金属玻璃这种新型高强度材料中存在应用的可能。通过有限元软件模拟轴对称压痕实验,将金属玻璃材料硬度—残余应力关系同先前人们对铝合金8009所作研究的结果作对比。研究表明,在压头压入同样深度的前提下,压头压入金属玻璃材料时,压头最大载荷随残余应力变化的相对跨度相比于铝合金8009要大;而金属玻璃材料因为其有很高的屈服强度而不容易产生pile-up,金属玻璃的接触面积随残余应力变化幅度比铝合金8009小很多。金属玻璃这种具有较低弹性模量—屈服极限比的材料,硬度对残余应力较为敏感,而铝合金8009这种弹性模量—屈服极限比较高的普通工程材料,硬度与残余应力几乎无关。本文还通过建立三维模型真实的模拟了存在应力梯度单轴应力的压痕实验,这是以前的研究很少涉及的。使用三维模型所得到硬度—残余应力关系很好的符合了实验的结果。分析三维模型所得到压痕图,很好的解释了实验所得压痕不对称的现象。
【图文】：

金属玻璃,材料力学性能,材料

同的条件下进行性能测试，进一步提高了实验数据的准确性和可比性。研究结果表明，大块非晶合金比相应晶态合金具有更高的强度和相对较低的弹性模量，弹性模量相同时，非晶态合金的强度比晶态的高约3倍。图2.2中列出了金属玻璃材料与其他材料力学性能的对比，表2.1列出了大块金属玻璃材料主要的性能和应用领域l3s]。非晶合金所表现出的良好的性能与其微观结构特点密切相关，一般认为非晶态材料存在着化学型和拓扑型两种短程有序，大的负混合嫡使得不同原子之间具有强劲的结合力，同时由于几种元素主要组元的原子半径之间相差都在12%以上，使得不同半径的原子在最大程度上紧密排布，减少了合金内部自由体积数量。另外，与晶态合金相比，非晶态合金不存在晶界间的位错、层错等缺陷，因此抗拉强度、硬度等力学性能都有较大幅度的提高。抗弯强度提高的另一个原因是由非晶合金在成形过程中的快速凝固效应所决定的。在凝固过程中由于合金液和铜模壁的直接接触

示意图,夹具,残余应力,试件

实验使用吹铸法制备而成的金属玻璃材料zr46.scu45A17Ti，.5(E=%Gpa，丙 =2Gpa，二0.37)，经过机械加工后其尺寸为2.2mm‘2.2mm‘35mm。将试件固定在特制的夹具中，，以产生研究所需要的残余应力。在图2.5中分别展示了夹具的实物图和示意图。在夹具示意图中可以看到，试件固定在夹槽1中，拧紧螺栓2夹紧试件，使其产生纯弯曲。夹槽上沿曲率半径p=67.7mm，当试件弯曲时，其中性轴的曲率半径为66.6mm，通过梁的纯弯曲公式:口=E.上P(式 2.1)
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH161

【引证文献】