块体金属玻璃及其复合材料变形和失效行为的理论研究

【摘要】：由于具有独特的长程无序、短程有序亚稳态微结构,块体金属玻璃表现出一系列诸如高强度、高硬度、大的弹性极限等优良的力学性能。然而,由于缺乏硬化机制,块体金属玻璃在室温下的变形过程中极易形成单一的、狭窄的剪切带,进而发生宏观脆性失效。这极大地限制了块体金属玻璃在工程结构中的应用。为了提高其宏观塑性变形能力,不少学者通过引入增韧相制备了块体金属玻璃基复合材料,从而实现了对块体金属玻璃增韧的目的。然而,尽管块体金属玻璃基复合材料的压缩塑性性能相比金属玻璃基体材料已经有了极大的提高,但其拉伸塑性仍然不是十分理想。因此,还需要对块体金属玻璃基复合材料的变形与失效行为进行深入的研究。为此,本文对块体金属玻璃及其复合材料的变形与失效行为开展了如下的系统研究:(1)基于已揭示的块体金属玻璃失效机制及自由体积理论,在连续介质力学框架下构建了考虑失效机制的块体金属玻璃本构模型。建立的本构模型中把纳米孔洞浓度当作内变量,用来描述与块体金属玻璃失效相关的纳米孔洞的形核与汇聚。同时,为了有效地描述块体金属玻璃在拉伸和压缩载荷下的韧脆转换,通过引入应力三轴度,提出了一个适用于不同应力状态的失效判据。随后,还给出了新建立的本构模型的应力积分算法,并将该模型编写成用户材料子程序移植到有限元软件中。最后,基于该模型的有限元实现,通过对块体金属玻璃的变形和失效行为及纳米孔洞浓度演化的预测以及与实验结果的对比,验证了该模型的合理性和有效性。(2)基于上述块体金属玻璃本构模型的简化及其有限元移植,对块体金属玻璃基复合材料的单调拉伸与压缩变形行为展开了系统的有限元模拟,揭示了增韧相的体积分数、形貌和屈服应力对块体金属玻璃基复合材料拉伸与压缩变形行为的影响,为后续块体金属玻璃基复合材料的细观本构模型构建奠定了分析基础。同时,通过对比块体金属玻璃基复合材料总体应力-应变响应和基体内剪切带演化在拉伸与压缩变形过程中的差异,探究了块体金属玻璃基复合材料变形和失效行为的拉压非对称性。(3)结合已有的实验及上述细观有限元模拟结果,对已有的均匀化方法进行拓展,提出了能够合理描述复合材料局部失效的两级均匀化方法。随后,基于该均匀化方法和前面建立的、考虑失效机制的块体金属玻璃本构模型,构建了一个考虑基体相局部失效的块体金属玻璃基复合材料细观本构模型。最后,基于该细观本构模型的数值实现,对含有不同体积分数的内生及外加增韧相的块体金属玻璃基复合材料在单调拉伸和压缩载荷下的变形与失效行为进行了预测,与相应实验结果的对比验证了该模型的有效性和准确性。