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锆基块体金属玻璃的力学行为研究

孔超  
【摘要】:近年来,人们已采用铸造的方法制备出大尺寸的金属玻璃,这使得人们可以采用传统结构材料的性能指标来表征金属玻璃的力学性能。块体金属玻璃虽然普遍拥有较高的强度、较大的弹性极限以及较好的耐蚀性等优良性能,但是其本质脆性问题到目前为止还没有得到解决,严重限制了其广泛应用。本课题主要致力于改善块体金属玻璃的塑性。 本文选用了玻璃形成能力较大,且塑性相对较好的Zr_(65)Cu_(15)Ni_(10)Al_(10)和Zr_(55)Cu_(25)Ni_5Al_(10)Nb_5块体金属玻璃。文中首先对所选Zr基块体金属玻璃的常规力学行为进行了分析,然后通过对材料进行表面喷砂和抛丸以及预压和预变形来研究块体金属玻璃的变形行为及其机理。所取得的成果如下: 1)由Zr_(65)Cu_(15)Ni_(10)Al_(10)块体金属玻璃的压缩曲线和应力-挠度曲线可知:在室温下,压缩和弯曲变形的塑性阶段都没有出现加工硬化现象,能表现出较好的塑性。准静态三点弯曲变形过程中,随着应变速率的增加,试样的挠度变小。弯曲表面主剪切方向并不是沿理论最大切应力方向扩展。弯曲试样内部压应力区的断口形貌与压缩实验断口相似,但是有所不同的是出现了通常在单向拉伸时呈现的菊花状形貌。而在拉应力区,呈现出复杂的网状形貌,并发现大量的微孔和微裂纹。实验中不仅在试样表面,而且在断裂花纹内部也发现了剪切带。 2)表面喷砂和抛丸处理可以有效的改善Zr_(55)Cu_(25)Ni_5Al_(10)Nb_5块体金属玻璃的压缩塑性,喷砂试样比抛丸试样能表现出更好的压缩塑性,喷砂试样的压缩应变率可达17.9%。 3)通过对表面喷砂和抛丸的试样进行显微硬度测试分析,可以发现抛丸和喷砂处理都可以使得块体金属玻璃的表层软化,但软化程度有所不同,在预处理时间相同时,喷砂试样的表面软化层相对较厚。抛丸和喷砂处理能在试样表层产生应力场,降低表面的应力集中,另一方面在试样的表层部分形成预先剪切带,从而使试样变形更均匀,提高塑性。另外,试样表面的不完整性也是不能忽视的。喷砂处理的毛化作用使得试样表面出现大量均匀的褶皱,褶皱的交互作用可以在试样的表面形成细小的微裂纹,这些微缺口在试样压缩变形过程中形成扩展较快的剪切带。可以认为喷砂试样塑性显著提高是由于表面不完整性产生的快速扩展剪切带与压应力导致的预先剪切带之间的相互作用的结果。 4) Zr_(65)Cu_(15)Ni_(10)Al_(10)块体金属玻璃在预压和预变形过程中表现出明显的粘弹性行为:当载荷恒定时,随着保压时间的延长发生了蠕变现象;而在应变恒定时,出现了应力松弛。并且只有在小应力和小应变保压时蠕变和应力松弛才会出现。 5)块体金属玻璃通过在弹性变形区进行适当的预压或预变形能明显的提高其压缩塑性。当试样在弹性变形区保压时间为30分钟时,随着保压应力或保压应变的增大,其处理后试样的抗压强度和压缩塑性逐渐增大,塑性提高较为显著。实验中还发现:在弹性变形区小应变、长时间保压后,试样的塑性也有较大提高。 6)显微硬度分析表明:经预压或预变形的试样其表层出现了不同程度的软化现象,并随保压时间的延长或保压应力的增加,表层的硬度显著降低,显微硬度值的大小可以从宏观上说明试样内自由体积的变化情况。显微硬度的下降从侧面说明了试样内部自由体积的聚集度增大。自由体积的适当聚集可以使得试样在进一步压缩变形中形成微小的剪切带,阻碍试样的瞬断,提高材料的塑性。


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