鋯基塊體金屬玻璃的力學(xué)行為研究.pdf

1、近年來,人們已采用鑄造的方法制備出大尺寸的金屬玻璃,這使得人們可以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的性能指標(biāo)來表征金屬玻璃的力學(xué)性能。塊體金屬玻璃雖然普遍擁有較高的強(qiáng)度、較大的彈性極限以及較好的耐蝕性等優(yōu)良性能,但是其本質(zhì)脆性問題到目前為止還沒有得到解決,嚴(yán)重限制了其廣泛應(yīng)用。本課題主要致力于改善塊體金屬玻璃的塑性。本文選用了玻璃形成能力較大,且塑性相對(duì)較好的Zr65Cu15Ni10Al10和Zr55Cu25Ni5Al10Nb5塊體金屬玻璃。文中首先對(duì)

2、所選Zr基塊體金屬玻璃的常規(guī)力學(xué)行為進(jìn)行了分析,然后通過對(duì)材料進(jìn)行表面噴砂和拋丸以及預(yù)壓和預(yù)變形來研究塊體金屬玻璃的變形行為及其機(jī)理。
　　所取得的成果如下:
　　1)由Zr65Cu15Ni10Al10塊體金屬玻璃的壓縮曲線和應(yīng)力-撓度曲線可知:在室溫下,壓縮和彎曲變形的塑性階段都沒有出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象,能表現(xiàn)出較好的塑性。準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲變形過程中,隨著應(yīng)變速率的增加,試樣的撓度變小。彎曲表面主剪切方向并不是沿理論最大切應(yīng)力方

3、向擴(kuò)展。彎曲試樣內(nèi)部壓應(yīng)力區(qū)的斷口形貌與壓縮實(shí)驗(yàn)斷口相似,但是有所不同的是出現(xiàn)了通常在單向拉伸時(shí)呈現(xiàn)的菊花狀形貌。而在拉應(yīng)力區(qū),呈現(xiàn)出復(fù)雜的網(wǎng)狀形貌,并發(fā)現(xiàn)大量的微孔和微裂紋。實(shí)驗(yàn)中不僅在試樣表面,而且在斷裂花紋內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了剪切帶。
　　2)表面噴砂和拋丸處理可以有效的改善Zr55Cu25Ni5Al10Nb5塊體金屬玻璃的壓縮塑性,噴砂試樣比拋丸試樣能表現(xiàn)出更好的壓縮塑性,噴砂試樣的壓縮應(yīng)變率可達(dá)17.9％。
　　3)通過對(duì)

4、表面噴砂和拋丸的試樣進(jìn)行顯微硬度測試分析,可以發(fā)現(xiàn)拋丸和噴砂處理都可以使得塊體金屬玻璃的表層軟化,但軟化程度有所不同,在預(yù)處理時(shí)間相同時(shí),噴砂試樣的表面軟化層相對(duì)較厚。拋丸和噴砂處理能在試樣表層產(chǎn)生應(yīng)力場,降低表面的應(yīng)力集中,另一方面在試樣的表層部分形成預(yù)先剪切帶,從而使試樣變形更均勻,提高塑性。另外,試樣表面的不完整性也是不能忽視的。噴砂處理的毛化作用使得試樣表面出現(xiàn)大量均勻的褶皺,褶皺的交互作用可以在試樣的表面形成細(xì)小的微裂紋,這些

5、微缺口在試樣壓縮變形過程中形成擴(kuò)展較快的剪切帶?？梢哉J(rèn)為噴砂試樣塑性顯著提高是由于表面不完整性產(chǎn)生的快速擴(kuò)展剪切帶與壓應(yīng)力導(dǎo)致的預(yù)先剪切帶之間的相互作用的結(jié)果。
　　4) Zr65Cu15Ni10Al10塊體金屬玻璃在預(yù)壓和預(yù)變形過程中表現(xiàn)出明顯的粘彈性行為:當(dāng)載荷恒定時(shí),隨著保壓時(shí)間的延長發(fā)生了蠕變現(xiàn)象;而在應(yīng)變恒定時(shí),出現(xiàn)了應(yīng)力松弛。并且只有在小應(yīng)力和小應(yīng)變保壓時(shí)蠕變和應(yīng)力松弛才會(huì)出現(xiàn)。
　　5)塊體金屬玻璃通過在彈性變

6、形區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)壓或預(yù)變形能明顯的提高其壓縮塑性。當(dāng)試樣在彈性變形區(qū)保壓時(shí)間為30分鐘時(shí),隨著保壓應(yīng)力或保壓應(yīng)變的增大,其處理后試樣的抗壓強(qiáng)度和壓縮塑性逐漸增大,塑性提高較為顯著。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn):在彈性變形區(qū)小應(yīng)變、長時(shí)間保壓后,試樣的塑性也有較大提高。
　　6)顯微硬度分析表明:經(jīng)預(yù)壓或預(yù)變形的試樣其表層出現(xiàn)了不同程度的軟化現(xiàn)象,并隨保壓時(shí)間的延長或保壓應(yīng)力的增加,表層的硬度顯著降低,顯微硬度值的大小可以從宏觀上說明試樣內(nèi)自由體積