锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形, 玻璃转变行为, 扩散机制以及晶化行为都至关重要. 非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一. 本文借助于动态力学分析(DMA), 探索了Zramorphous alloy,dynamic mechanical analysis,high temperature deformation,structural relaxation,quasi-points defects,1)国家自然科学基金(51971178);陕西省自然科学基金(2019JM-344);中央高校基本科研业务费专项资金(3102019ghxm007);中央高校基本科研业务费专项资金(3102017JC01003)2020-01-062020-04-10非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形, 玻璃转变行为, 扩散机制以及晶化行为都至关重要. 非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一. 本文借助于动态力学分析(DMA), 探索了Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为. 通过单轴拉伸实验, 研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为. 基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory), 对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述. 研究结果表明, 准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量$\alpha$弛豫的主曲线. 基于非晶合金的内耗行为, 玻璃转变温度以下原子运动的激活能$U_\beta$为0.63 eV. 与准点缺陷浓度对应的关联因子$\chi $在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大. Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金在玻璃转变温度附近, 随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的流变行为. 非晶合金的高温流变行为不仅可以通过扩展指数函数和自由体积理论来描述, 还可以通过基于微剪切畴(shear micro-domains, SMDs)的准点缺陷理论来描述.     

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

基于准点缺陷理论探索非晶合金蠕变机制

作为典型多体相互作用非平衡体系,如何明晰非晶合金多场耦合激励下变形机制,建立非晶合金变形行为、流动特性与微观结构特征本征关联始终是非晶合金力学性能的重要研究内容.本文以具有显著β弛豫行为的La_56.16Ce_14.04Ni_19.8Al₁₀非晶合金作为研究载体,通过开展宽温度应力窗口蠕变实验,着重考查了蠕变柔量、准稳态蠕变速率、特征弛豫时间、蠕变应力指数及蠕变激活能演变规律,系统研究了非晶合金蠕变行为与蠕变机制.基于准点缺陷理论分析了非晶合金蠕变行为由弹性向黏弹性及黏塑性逐步转变的过程,从微观结构演化角度构建了非晶合金蠕变行为完整物理图像.研究结果表明,非晶合金高温蠕变行为是一典型热力耦合、非线性过程,其潜在蠕变机制受控于温度、应力与加载时间.应力较低时,非晶合金蠕变机制对应于热激活单粒子流动.应力较高时,蠕变机制则对应于应力诱导局部剪切变形增强与温度诱导原子扩散等复杂耦合过程.非晶合金蠕变变形过程所涉及弹塑性转变源于非晶合金准点缺陷激活、微剪切畴经热力耦合激励形核长大、扩展与不可逆融合.     

基于微观结构非均匀性的非晶合金力学行为

非晶合金弛豫/晶化、玻璃转变、塑性变形等热力学和动力学行为都与其固有的结构非均匀性密切相关. 但是, 由于淹没在亚稳的长程无序结构中, 探究非晶合金的结构非均匀性十分困难. 尤其, 非晶合金微观结构非均匀性与其力学性能之间的本征关联是一个亟待解决的重要科学问题. 本文基于多尺度时空下的力学激励阐述非晶合金微观结构非均匀性特征与演化规律. 从实验、理论和数值模拟方面出发, 梳理了非晶合金微观结构非均匀性与弛豫机制和力学行为之间的关联. 最后, 针对非晶合金微观结构非均匀性与其物理/力学性能研究的方向提出了建议和展望.      

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料,金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣.金属玻璃结构与性能的关系表明,金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关.然而,宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰.与传统金属材料不同,金属玻璃的变形机理非常复杂.应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段,从而探索结构和动态非均匀性.本研究以La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃为模型体系,在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为.研究结果表明,与传统金属玻璃不同,La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃具有明显的β弛豫行为.基于Kohlarausch-Willams-Watts(KWW)方程的分析表明,金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程;热动力学分析发现La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为,即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为,向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变.通过激活能谱模型分析表明,应力松弛单元的激活并非均匀,而是存在能量上的起伏,金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程,具有动力学不均匀性.本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联,为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.     

ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型研究

为了更好的进行ZrCuNiAlAg块体非晶合金药型罩的爆炸成形及侵彻仿真研究，首要就是建立其材料模型。本文结合ZrCuNiAlAg块体非晶合金力学性能试验结果计算得到了材料的JH-2模型参数，研究确定了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型。为了验证ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型的准确性，采用Autodyn建立了平板撞击试验有限元模型，模拟了ZrCuNiAlAg块体非晶合金材料在高压、高应变率等环境条件下的变形过程，仿真计算得到的靶板背面自由面粒子速度与试验结果相比，速度平均偏差均在3%以内，表明ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型能很好的描述该材料在大变形、高应变率、高压等环境条件下的力学行为，验证了ZrCuNiAlAg块体非晶合金JH-2模型准确性。     

通过表面机械加工调控Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金的结构和韧性

作为一种新型结构材料,非晶态合金的韧性需要进一步提高.提高非晶态合金韧性的方法有引入枝晶相、调整其成分改变其泊松比影响其剪切带衍生、裂纹扩展等.本文通过表面机械加工的方法来调控非晶态合金的微观结构及韧性.我们采用真空电弧熔炼、亚稳态薄板离心浇铸系统制备了Zr_(52.5)Cu_(17.9)Ni_(14.6)Al_(10)Ti_5(原子百分比)(Vit105)非晶合金板,并用表面机械研磨处理方法 (surface mechanical attrition treatment, SMAT),在Vit105板上形成纳米尺度局域类晶体序结构.基于差示扫描量热分析、纳米压痕实验,我们发现SMAT处理后的Vit105合金板表面附近弛豫焓更低,微观结构更加均匀、稳定.通过显微维氏硬度计测试,发现SMAT处理后样品的表面附近硬度增大,硬度值分布也更均匀.通过三点弯断裂实验,可得到SMAT处理后合金板缺口韧度值从70.7±4.7 MPa·m~(1/2)提高到112.8±3.7 MPa·m~(1/2). SMAT处理后合金板断裂后,缺口前端剪切带密度比未处理的更大. Vit105合金板韧性的提高源于SMAT处理对剪切带萌生的促进作用.该研究表明,表面机械加工可以在非晶态合金中形成局域类晶体有序结构,影响其结构均匀性,增大其硬度,促进剪切带萌生,提高其韧性.表面机械加工作为一种新型的改变材料性能的手段,具有广阔的应用前景.     

金属非晶的强度和变形特性

金属非晶发展至今已有多种体系并可实现厘米量级的块体制备,其各种性能也都有了广泛的研究。本文主要介绍金属非晶的单轴拉伸、单轴压缩、微柱压缩、薄板弯曲、拉伸-扭转等物理力学特性及关于其变形的理论分析。文章涵盖了金属非晶的以下一些力学特性：金属非晶的弹性模量和其溶剂金属的相近性―金属非晶通常具有2% 左右的弹性应变极限,对应着GPa量级的高失效强度;金属非晶单轴拉伸、压缩时的宏观塑性特征及塑性变形的典型机制;金属非晶微观上的短程与中程原子团簇结构特点及其与非晶塑性的关联;金属非晶塑性屈服与静水压力的相关性,拉扭组合时呈现的螺旋断口特征,以及Mohr-Coulomb本构模型对这些屈服特征的适用性。最后,作者也介绍了金属非晶塑性变形的微观物理模型及连续介质力学本构,以及金属非晶的断裂与疲劳特性。     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式,广泛存在于非晶体系的形变中,控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石,胶体,玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究.近几十年来,非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究,推进了对剪切带的认识.通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究,人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征,表现出复杂的动力学特征,和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时,剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响,对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果,对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍,包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制,以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.     

非晶合金剪切带动力学行为研究

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式, 广泛存在于非晶体系的形变中, 控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石, 胶体, 玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究. 近几十年来, 非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究, 推进了对剪切带的认识. 通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究, 人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征, 表现出复杂的动力学特征, 和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时, 剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响, 对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果, 对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍, 包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制, 以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.      

非晶材料弛豫过程中杨氏模量的唯象研究

从晶态材料弛豫过程中模量的唯象描述的基本思想出发,同时考虑到近年来对非晶材料弛豫规律的种种研究,将传统的构造力学参数模型作为弛豫单元的作法与现在流行的双能级模型统一起来,对非晶材料弛豫过程中的杨氏模量进行了唯象处理,得到了与以往不同的弛豫规律.     

预压下锆基块体非晶合金的热冲击变形与破坏

实验研究了不同预压载荷与加热速率下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9块体非晶合金的失效温度和破坏规律, 发现预压力和温升率较低时, 随着温度的升高, 材料强度减小, 样品最后发生塑性变形; 预压力和温升率较高时样品则发生剪切断裂, 且发生剪切破坏时样品的温度高于其玻璃化转变温度.基于变温条件下的结构弛豫模型, 分析了块体非晶合金在快速加热条件下的变形过程,给出了材料发生屈服时的温度与温升率、预压力与屈服温度之间的相互关系, 并得出了实验结果的拟合关系式. 对回收样品断裂面进行分析, 发现了与恒温压缩断裂明显不同的断裂特征. 最后分析了预压载荷下快速加热过程中上述材料发生剪切破坏的临界条件.      

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃具有明显的β弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.      

块体金属玻璃力学行为有限元模拟研究进展

块体金属玻璃材料具有重要的科学和应用价值,受到国际学术界的广泛重视,针对其力学行为的有限元模拟也逐渐成为研究热点.本文综述了模拟块体金属玻璃力学行为的有限元方法研究现状,包括材料本构模型以及有限元建模等方面的发展,最后给出相关工作建议.     

冷热循环处理对Fe基块体非晶合金摩擦磨损性能的影响

本文中采用电弧熔炼和感应熔炼后喷铸的方法制备了厚度为4 mm的Fe基块体非晶合金. 通过对Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂块体非晶合金进行30次和60次冷热循环处理,并在往复式摩擦磨损条件下,研究冷热循环工艺对其摩擦磨损性能的影响. 结果表明:冷热循环处理没有显著改变铁基非晶合金的非晶态结构. 30次冷热循环处理后,Fe基块体非晶合金发生了明显的软化,平均硬度由铸态的16.06 GPa降为14.06 GPa,平均弹性模量由241 GPa降为216 GPa. 随着冷热循环次数和载荷的增加,非晶合金的平均摩擦系数和磨损率先减小后增大. 冷热循环处理有利于降低非晶合金的平均摩擦系数和磨损量. 当冷热循环次数为30次、载荷为30 N时,铁基非晶的摩擦系数由0.77降至0.72,表现出最小的摩擦系数,同时磨损率降低13.3%,表现出最小的磨损率[1.04×10?6 mm3/(m·N)]. 铸态Fe基块体非晶合金的磨损机理以疲劳断裂为主,伴随着轻微的磨粒磨损. 随着冷热循环次数的增加,疲劳导致的脆性断裂程度降低,磨损机制向磨粒磨损和疲劳断裂的共同作用转变. 所以,冷热循环处理有望成为调控非晶态金属材料摩擦学性能的有效手段. 进一步深化对冷热循环处理的理解,必将有利于推动非晶态材料在摩擦学领域的应用.      

液体的fragility及其与玻璃固体力学性能的关联

Angell在20世纪80年代提出的液体fragility概念, 为认识玻璃态本质打开了一扇新的窗口, 是联系玻璃形成液体和固体的纽带. 目前, 玻璃转变的主流理论(如模态耦合理论、势能形貌等)围绕fragility展开的研究已经成为玻 璃科学领域的一个热点; fragility与玻璃固体基本力学性能之间的关联研究为力学工作者开辟了一片新的研究领 域.本文将就玻璃态转变相关基本现象、表征玻璃态转变动力学行为的代表性理论、液体 fragility与玻璃固体力学性能关联研究现状进行分析评述, 并就本领域今后值得关注的问 题进行展望.     

内部填充泡沫铝的柱壳力学响应数值模拟

针对泡沫铝及其填充圆柱壳的变形模式复杂、理论分析困难的问题,在分析泡沫金属唯象本构模型的基础上,用Bilkhu/Dubois可压缩泡沫模型描述泡沫铝的力学行为,用随机几何缺陷描述结构的可能缺陷形式,采用有限元法对内部填充泡沫铝的圆柱壳结构在轴向载荷作用下的静、动态力学响应进行了数值模拟.数值模拟结果与实验结果较一致,表...     

类固体非晶态材料的变形与失效

自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力?应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪切转变区运动方程在自由边界计算中的应用. 在本综述的第二部分, 为简单起见, 将关注非晶塑性的非热模型, 并基于该模型说明剪切转变区理论是如何从非平衡热力学的系统描述中发展起来的.      

铁基大块非晶合金的摩擦磨损性能研究

采用电弧熔炼、铜模吸铸法制备Fe基大块非晶合金,利用球-盘式摩擦磨损试验机进行干摩擦磨损试验,研究了铸态Fe基大块非晶合金的摩擦磨损行为及热处理对其耐磨性的影响,利用扫描电子显微镜观察合金磨损表面形貌,分析了Fe基大块非晶合金以及相同成分晶态合金的磨损机理.结果表明:在本试验条件下,铸态Fe基大块非晶合金的耐磨性高于相同成分的晶态合金,热处理可以有效提高铸态Fe基大块非晶合金的耐磨性,在保持完全非晶状态的前提下,退火态非晶合金的磨损率较铸态非晶合金减小约40%;材料的结构和性能对合金的摩擦系数影响不大,当进入稳定阶段后Fe基大块非晶合金的摩擦系数稳定在0.58左右;不同处理状态的Fe基大块非晶合金和相同成分晶态合金的磨损机制不同,非晶合金的磨损机制以疲劳磨损为主兼有磨粒磨损,相同成分晶态合金的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用的结果.