ZrCuNiAl系塊體非晶合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為.pdf

1、本文采用分離式 Hopkinson壓桿(SHPB)、電炮、二級(jí)輕氣炮等沖擊加載技術(shù)，系統(tǒng)研究了Zr基塊體非晶合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。
　　研究了Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的室溫壓縮性能。該非晶合金在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，其屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變率不敏感，然而，在動(dòng)態(tài)壓縮下，該非晶合金的屈服強(qiáng)度顯著下降，該現(xiàn)象可由樣品宏觀變形時(shí)間與剪切帶擴(kuò)展時(shí)間之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行合理地解釋。此外，該非晶合金在低應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)

2、變曲線上出現(xiàn)鋸齒流變現(xiàn)象，且斷裂樣品側(cè)表面上分布著大量的剪切帶。當(dāng)應(yīng)變率增加到1.0×10-1 s-1，鋸齒流變現(xiàn)象與剪切帶消失。在動(dòng)態(tài)加載下，為適應(yīng)樣品在高應(yīng)變率下的變形，斷裂樣品側(cè)表面上出現(xiàn)裂紋。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯示，樣品斷口表面的熔滴數(shù)量隨著應(yīng)變率的增加而逐漸增加，原因在于非晶合金在高應(yīng)變率加載過程中，剪切帶內(nèi)的絕熱程度提高。
　　采用SHPB技術(shù)研究了樣品長徑比以及測(cè)試溫度對(duì)Zr50.7Cu28Ni9Al12.

3、3塊體非晶合金動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)行為的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該非晶合金的斷裂強(qiáng)度隨著樣品長徑比的增加逐漸下降，該現(xiàn)象是由應(yīng)變率硬化、自由體積軟化以及溫度軟化效應(yīng)三個(gè)過程共同作用的結(jié)果。非晶合金在測(cè)試溫度為123 K、473 K、673 K和743 K時(shí)的動(dòng)態(tài)加載下均呈現(xiàn)剪切斷裂。隨著測(cè)試溫度的增加，合金的斷裂強(qiáng)度不斷下降，這一結(jié)果可由經(jīng)典的剪切轉(zhuǎn)變區(qū)(STZ)理論進(jìn)行解釋。非晶合金的斷裂強(qiáng)度與測(cè)試溫度之間的關(guān)系符合σ∝(1?At2/3)，其中，

4、A為常數(shù)，t= T/Tg，Tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度，T為測(cè)試溫度。
　　研究了Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金在743 K等溫退火后的微觀組織及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。退火時(shí)間為90 min時(shí)，非晶基體上開始有納米晶析出，且納米晶的尺寸隨退火時(shí)間的進(jìn)一步增長而增加。當(dāng)退火時(shí)間增加至140 min時(shí)，樣品中的部分納米晶長大成微米級(jí)的大晶粒。晶化產(chǎn)物主要為Ni3Zr相和Ni42Zr58相。該非晶合金經(jīng)不同時(shí)間的等溫退火處理后，其動(dòng)態(tài)

5、壓縮斷裂強(qiáng)度最初隨著退火時(shí)間的增加而增加，并在退火時(shí)間為90 min時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)退火時(shí)間超過90 min后，合金斷裂強(qiáng)度隨退火時(shí)間進(jìn)一步增加而降低。這一現(xiàn)象是由退火后自由體積的減少引起的強(qiáng)度增加，以及晶體相析出導(dǎo)致的強(qiáng)度降低這兩個(gè)過程相互競(jìng)爭(zhēng)引起的。
　　采用電炮加載技術(shù)研究了 Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金的沖擊波壓縮性能及層裂強(qiáng)度。Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金的Hugoniot彈性

6、極限約4.7 GPa，根據(jù)此值計(jì)算得到的一維應(yīng)力屈服強(qiáng)度明顯大于利用SHPB技術(shù)測(cè)量的結(jié)果，其原因是由非晶合金服從 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則引起的。當(dāng)峰值應(yīng)力小于16 GPa時(shí)，Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金的沖擊絕熱線可以由Murnagham等熵線近似代替。此外，非晶合金在一維應(yīng)變條件下得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均具有明顯的彈-塑變形區(qū)，且塑性變形區(qū)呈現(xiàn)為上凸形狀。層裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Zr50.7Cu28Ni9Al12

7、.3塊體非晶合金的層裂強(qiáng)度隨著飛片速度的提高而逐漸降低，這一現(xiàn)象可由非晶合金內(nèi)自由體積的凈增量與飛片速度之間的關(guān)系進(jìn)行解釋。光學(xué)顯微鏡(OM)照片表明，回收樣品的橫截面上分布著大量的裂紋和微孔洞，層裂是由這些裂紋及微孔洞的聚集以及生長引起的。
　　利用二級(jí)輕氣炮研究了 Zr51Ti5Ni10Cu25Al9塊體非晶合金的超高速撞擊行為。在不同的撞擊速度下，非晶合金樣品均被彈丸擊穿成孔。對(duì)彈孔形貌的SEM觀察表明，彈孔形貌呈現(xiàn)三個(gè)不同

8、區(qū)域：靠近撞擊面的熔化區(qū)、中間部分的脈狀條紋區(qū)以及靠近后表面的核心放射花樣區(qū)，表明不同區(qū)域在撞擊過程中受到了不同狀態(tài)的應(yīng)力作用。Zr51Ti5Ni10Cu25Al9塊體非晶合金經(jīng)不同速度的球形彈丸撞擊后，回收樣品的微觀結(jié)構(gòu)仍保持完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這是由于非晶合金在實(shí)驗(yàn)中受到的最大沖擊應(yīng)力尚不足以誘發(fā)其高壓相變的發(fā)生。隨著距彈孔位置距離的增加以及彈丸撞擊速度的減小，回收樣品的硬度值逐漸增加，相應(yīng)的塑性變形能力逐漸減弱，這一現(xiàn)象可采用球形應(yīng)力