鋯基非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)的熱塑性成形尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、本研究利用差示掃描量熱測(cè)試、X射線衍射、原位納米力學(xué)測(cè)試、金相顯微測(cè)量系統(tǒng)、高溫壓縮實(shí)驗(yàn)、雙杯擠壓成形實(shí)驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬等多種分析測(cè)試手段，系統(tǒng)地研究了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)的熱塑性成形尺寸效應(yīng)。
　　首先制備具有相同初始自由體積含量的不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金試樣，采用差示掃描量熱法檢測(cè)了非晶合金的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、起始晶化溫度與孕育時(shí)間。通過(guò)高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了非晶合金在過(guò)冷液相

2、區(qū)的熱塑性尺寸效應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試樣尺寸增大，非晶合金的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)力過(guò)沖峰值、彈性模量與平衡粘度均逐漸降低，同時(shí)過(guò)沖峰值應(yīng)變升高。在較低溫度和較高應(yīng)變速率的變形條件下，應(yīng)力過(guò)沖現(xiàn)象隨尺寸增大逐漸減弱直至消失，并且材料流變行為由非牛頓流變轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流變。此外，非晶合金的活化體積含量與缺陷濃度均隨尺寸增大而逐漸升高。
　　通過(guò)不同尺寸試樣的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)與恢復(fù)焓值DSC測(cè)試，分析了試樣尺寸對(duì)于Zr55Cu30Al1

3、0Ni5非晶合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)弛豫行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明，非晶合金的恢復(fù)焓值隨試樣尺寸減小而增大。從而證明，在實(shí)際熱塑性成形工藝的預(yù)熱過(guò)程中，不同尺寸試樣的比表面積差異所帶來(lái)的溫度場(chǎng)梯度分布會(huì)造成試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)弛豫程度不同，從而導(dǎo)致較大尺寸試樣內(nèi)部的自由體積湮滅量較少。在初始自由體積含量相對(duì)一致的情況下，非晶合金試樣尺寸越大，其內(nèi)部剩余的自由體積含量越高，則較大尺寸試樣的塑性流變應(yīng)力較低。
　　研究了試樣尺寸對(duì)于非晶合金熱塑性流變行為

4、的影響規(guī)律。根據(jù)經(jīng)典粘度理論與自由體積理論分別提出了穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力、彈性模量、應(yīng)力過(guò)沖峰值與峰值應(yīng)變四項(xiàng)尺寸效應(yīng)本構(gòu)關(guān)系因子，并以此構(gòu)建了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的熱塑性尺寸效應(yīng)本構(gòu)關(guān)系。對(duì)比結(jié)果表明，該本構(gòu)關(guān)系可以準(zhǔn)確表征非晶合金的熱塑性流變行為的尺寸效應(yīng)和應(yīng)力過(guò)沖以及非牛頓流變與牛頓流變模式轉(zhuǎn)變等特征力學(xué)現(xiàn)象。
　　深入分析不同尺寸試樣內(nèi)部的自由體積含量變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)非晶合金的穩(wěn)態(tài)自由體積含量隨試樣尺

5、寸增大，變形溫度升高與應(yīng)變速率加快而逐漸升高。根據(jù)溫度場(chǎng)梯度模型、結(jié)構(gòu)弛豫理論與應(yīng)力誘導(dǎo)效應(yīng)，分別提出了非晶合金的飽和自由體積含量、結(jié)構(gòu)弛豫湮滅量與應(yīng)力誘導(dǎo)生成量的尺寸依賴數(shù)學(xué)模型，并以此構(gòu)建了基于尺寸效應(yīng)的非晶合金自由體積計(jì)算模型。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型可為不同尺寸非晶合金試樣在熱塑性成形過(guò)程中的自由體積含量變化提供準(zhǔn)確有效的量化分析結(jié)果。
　　通過(guò)不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金試樣的雙杯擠壓實(shí)驗(yàn)，有限元數(shù)值模擬與

6、納米壓痕力學(xué)測(cè)試，分析了不同尺寸試樣內(nèi)部的材料流變行為對(duì)其熱塑性成形情況的影響規(guī)律。結(jié)果表明，雙杯擠壓試樣的上、下杯高比值隨試樣尺寸增大和變形溫度升高而逐漸降低。其顯微硬度隨試樣尺寸增大而逐漸降低，并且同一試樣上杯圓角底部位置的顯微硬度明顯低于下杯部分。從而印證了不同尺寸雙杯擠壓試樣內(nèi)部上杯部分的自由體積含量同樣高于下杯部分，并且較大尺寸試樣的平均自由體積含量較高。因此，非晶合金在熱塑性成形過(guò)程中的塑性成形能力同樣隨尺寸增大而逐漸提高。

7、
　　綜上所述，Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出“越大越軟”的熱塑性尺寸效應(yīng)規(guī)律。在高溫變形條件下，由不同尺寸試樣的比表面積差別所引起的自由體積湮滅量差異是導(dǎo)致非晶合金熱塑性成形的尺寸效應(yīng)的主要原因之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，耦合了本文所構(gòu)建的熱塑性尺寸效應(yīng)本構(gòu)關(guān)系與自由體積計(jì)算模型的有限元模型能夠有效地預(yù)測(cè)熱塑性成形過(guò)程中的成形載荷、工件幾何形狀、材料流變行為和自由體積含量變化趨勢(shì)。上述兩項(xiàng)模型也可以為過(guò)冷液相