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大块非晶合金变形机制及本构行为

陈德民  
【摘要】: 大块非晶合金是一种新型金属材料,独特的原子结构赋予其不同于普通晶态金属的优异性能,如高强度、高硬度、耐腐、耐磨、易于近净形加工成形等。本文采用石墨坩埚电弧熔炼方法制备了Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金,利用自由体积模型对变形机制进行了分析,对其所应遵循的屈服准则进行了研究,推导了相关屈服准则的塑性本构方程。取得了以下主要研究成果: 改进了电弧熔炼铜模吸注成形制备大块非晶合金工艺,利用石墨坩埚熔炼,制备出了尺寸为Φ20×90mm的Zr_(41.2)Ti_(12.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金样品,通过X射线衍射分析、透射电镜观察以及热参数测定,确定所制备材料的非晶性质。 依据Speapen自由体积模型的流变方程并将自由体积浓度作为参数,通过数值计算,分析了大块非晶合金均匀变形过程中,剪应力和自由体积浓度之间的变化规律和相互作用关系,以及应变速率对均匀变形的影响;研究了非均匀变形剪切带的形成机理,由于材料内部自由体积分布不均匀,导致局部自由体积浓度增加速度较快,粘度相对降低,出现局部软化,最终沿剪切方向产生应变集中,形成剪切带。 通过对Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金压缩试验锯齿流变的研究,引入面积比(A_s/A)作为参数,计算出随应变能的增加,剪切带形成过程中的局部升温逐渐增大,当温度达到或超过合金玻璃转变温度,局部粘度会大幅度降低,剪切阻力减小,弹性应变能促使剪切带进一步扩展,并最终断裂。对Wright教授提出的锯齿流变与断裂的关系问题做出了解释。 对多年来一直认为的拉伸断裂面偏离最大剪应力作用的45°平面这一现象遵循Coulomb准则的问题进行了澄清。通过Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)合金高温拉伸试验,发现该合金拉伸变形区域沿厚度方向局部变薄,出现断裂前的所谓“颈缩”现象,进而应用滑移线间断解理论,依据Mises屈服条件,得到颈缩材料拉伸断裂面与载荷轴夹角为54.7°,与大块非晶合金拉伸实验得到的52~56°倾斜角一致,说明大块非晶材料在此情况下仍然遵循Mises屈服准则。 哈尔滨工程大学博士学位论文 大块非晶合金并不完全遵循Mises、Tresca和Coufomb准则的某一个。 在拉伸条件下Z翔l.ZTi13sCu12.SNil。Be22万大块非晶合金的屈服遵循Mises准则; 在压缩条件下,遵循Coulomb准则;而在包含剪应力作用条件下,屈服强度 介于MiseS和肠esca(Coulomb)轨迹之间。为了能够准确反映大块非晶合金 屈服行为,将我国学者建立的统一强度理论引入到大块非晶合金屈服行为的 研究中,计算出了Zr41.2Ti13.sCu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金屈服条件,并得到 在二平面上的屈服轨迹。 应用连续介质力学的弹塑性理论,借助材料的简单压缩实验数据,推导 出多维应力状态下大块非晶合金近似的弹塑性本构关系;借助材料的剪切实 验数据,推导出多维应力状态下大块非晶合金近似的弹塑性本构关系的另一 种表达式。并证明了同一种大块非晶合金近似的弹塑性本构关系的两种不同 表示方式的统一性。 将静水压力因子引入到Mises屈服准则表达式中,得到广义MiseS屈服 准则,建立了广义Mises屈服准则与Coulomb屈服准则以及Drueker一Prager 屈服准则的关系,进而推导出与广义MiseS屈服准则相关联的塑性本构方程、 与Drucker一Prager屈服准则相关联的塑性本构方程以及与Coulomb屈服准则 相关联的的塑性本构方程。 借鉴岩土力学的研究方法,将屈服条件表示为应力第一不变量、应力偏 量第二不变量和应力偏量第三不变量的函数。通过将一般加载规律的简单弹 塑性模型推广到多维应力增量状态,并应用相容方程和正交流动法则,推导 出与统一强度理论屈服准则相关联的塑性本构方程。


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