高温升率下LY12铝合金拉伸破坏及其机理的研究

使用Gleeble1500热力模拟实验系统研究了温升率及其历史对LY12铝合金拉伸破坏的影响。对采用不同温升率加热到给定温度后的试件的拉伸试验表明,相同工作温度下经历较高温升率历史的试件的强度较低;以不同温升率对不同预载应力水平的试件快速加热直至破坏,发现预载应力相同时经历较高温升率试件的失效温度较低．对试件断口附近材料金相组织的分析表明,当工作温度或预载应力水平相同时,较高温升率下材料的微缺陷明显增加．高温升率造成的局部热失配及材料微观组织结构的损伤,不同温度、应力和时间下材料的再结晶程度等对材料的宏观本构行为及失效具有重要影响．     

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。     

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...     

三种合金在短时高温下的热软化研究

利用冲击大电流电阻加热法，研究了三种合金在不同温升率下的弹塑性热软化性能。发现了这三种合金的屈服强度随温升率提高而明显提高的现象；分析了温升率高低对金属再结晶过程的影响；并提出了弹性热软化的估算公式及屈服温度上下限的概念。     

热冲击下 A3 钢力学性能的研究

对一定拉伸预载下的Ａ３钢试样进行了快速加热实验,研究了温升率对Ａ３钢力学性能的影响。结果表明:温升率对自由热膨胀影响不大;温升率越大,产生相同塑性变形需要的温度越高;温升率明显影响Ａ３钢内部变化机制;温升率将决定试样热冲击后的晶粒大小。     

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.     

WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.      

DYNAMIC MECHANICAL BEHAVIOR AND PENETRATION PERFORMANCE OF WFeNiMo HIGH-ENTROPY ALLOY 1)

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.     

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.     

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.     

块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切特性和侵彻/穿甲“自锐”行为

块体金属玻璃及其复合材料以其优异的力学、物理和化学性能, 正成为国内外科技和工程领域的研究热点. 特别是金属玻璃复合材料具有高剪切敏感性和剪切``自锐'特性, 使其有可能成为新型穿甲弹芯材料, 因而具有重要的军事意义. 本文综述了针对块体金属玻璃及其复合材料的压缩剪切变形和断裂特性及高速冲击、侵彻/穿甲过程中剪切``自锐'行为等方面的研究进展, 包括相关实验研究、理论分析及有限元模拟等, 最后给出未来相关工作的一些建议.      

金属玻璃基复合材料的变形行为及本构关系研究综述

金属玻璃及其复合材料因其优良的力学性能而具有良好的应用前景,相关研究方兴未艾. 本文主要总结国内外的研究成果并结合本课题组的最新研究工作,针对块体金属玻璃基复合材料的变形行为、增韧机理和本构关系研究现状进行较为全面的综述. 首先,对近几十年来在块体金属玻璃基体材料的变形行为与失效机理以及本构关系研究方面的丰硕成果进行简要回顾. 其次,从实验研究和数值模拟两方面,重点对金属玻璃基复合材料的变形行为与失效机理研究成果进行介绍,总结了金属玻璃基复合材料的塑性变形、增韧机理及影响因素. 然后,对金属玻璃基复合材料的本构关系研究最新进展进行评述,重点介绍了均匀化方法在该领域的应用. 作为代表,较为详细地介绍了作者新近提出的一个二次均匀化的方法,并在此基础上,结合纳米孔洞作为自变量的失效判据而建立了本构模型,该模型对金属玻璃基复合材料的变形和失效行为进行了合理预测. 最后,对该领域的研究现状进行简单的总结,并对未来的研究问题进行展望.      

A finite-deformation constitutive model for bulk metallic glass composites

The focus of this study is the development of an elastic-viscoplastic, three-dimensional, finite-deformation constitutive model to describe the large deformation behavior of bulk metallic glass (BMG) composite. A macroscopic theoretical formulation is proposed based on thermodynamic considerations to describe the response at ambient temperature and pressure, as well as at different strain rates. A constitutive equation is derived using the principle of thermodynamics and the augmenting of free energy. This is done by assuming that deformation within the constituent phases of the composite is affine; kinetic equations defining plastic shear and evolution of free volume concentration are then derived. The constitutive model is subsequently implemented in a finite-element program (Abaqus/Explicit) via a user-defined material subroutine. Numerical predictions are compared with experimental results from tests on La-based in situ BMG composite (La–Al–Cu–Ni) specimens cast in-house; this demonstrates that the model is able to describe the material behavior observed.     

Surface tension-driven shape-recovery of micro/nanometer-scale surface features in a Pt57.5Ni5.3Cu14.7P22.5 metallic glass in the supercooled liquid region: A numerical modeling capability

Recent experiments in the literature show that micro/nano-scale features imprinted in a Pt-based metallic glass, Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5, using thermoplastic forming at a temperature above its glass transition temperature, may be erased by subsequent annealing at a slightly higher temperature in the supercooled liquid region (Kumar and Schroers, 2008). The mechanism of shape-recovery is believed to be surface tension-driven viscous flow of the metallic glass. We have developed an elastic-viscoplastic constitutive theory for metallic glasses in the supercooled liquid temperature range at low strain rates, and we have used existing experimental data in the literature for Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5 (Harmon et al., 2007) to estimate the material parameters appearing in our constitutive equations. We have implemented our constitutive model for the bulk response of the glass in a finite element program, and we have also developed a numerical scheme for calculating surface curvatures and incorporating surface tension effects in finite element simulations. By carrying out full three-dimensional finite-element simulations of the shape-recovery experiments of Kumar and Schroers (2008), and using the independently determined material parameters for the bulk glass, we estimate the surface tension of Pt_57.5Ni_5.3Cu_14.7P_22.5 at the temperature at which the shape-recovery experiments were conducted. Finally, with the material parameters for the underlying elastic-viscoplastic bulk response as well as a value for the surface tension of the Pt-based metallic glass fixed, we validate our simulation capability by comparing predictions from our numerical simulations of shape-recovery experiments of Berkovich nanoindents, against corresponding recent experimental results of Packard et al. (2009) who reported shape-recovery data of nanoindents on the same Pt-based metallic glass.     

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.      

Mixed mode (I and II) crack tip fields in bulk metallic glasses

Stationary crack tip fields in bulk metallic glasses under mixed mode (I and II) loading are studied through detailed finite element simulations assuming plane strain, small scale yielding conditions. The influence of internal friction or pressure sensitivity on the plastic zones, notch deformation, stress and plastic strain fields is examined for different mode mixities. Under mixed mode loading, the notch deforms into a shape such that one part of its surface sharpens while the other part blunts. Increase in mode II component of loading dramatically enhances the normalized plastic zone size, lowers the stresses but significantly elevates the plastic strain levels near the notch tip. Higher internal friction reduces the peak tangential stress but increases the plastic strain and stretching near the blunted part of the notch. The simulated shear bands are straight and extend over a long distance ahead of the notch tip under mode II dominant loading. The possible variations of fracture toughness with mode mixity corresponding to failure by brittle micro-cracking and ductile shear banding are predicted employing two simple fracture criteria. The salient results from finite element simulations are validated by comparison with those from mixed mode (I and II) fracture experiments on a Zr-based bulk metallic glass.     

Zr基非晶合金JH-2模型的构建及应用

为构建Zr_62.5Nb₃Cu_14.5Ni₁₄Al₆非晶合金在高压、大应变、高应变率状态下的材料模型,采用根据实验数据理论推导和数值模拟对比反馈的方法,对材料的Johnson-Holmquist本构模型（JH-2模型）参数进行了研究:材料的静水压力-体应变关系通过平板冲击实验数据和理论推导得到;无损材料强度与应变、应变率的关系通过轴向压缩实验数据确定;材料损伤参数与破碎材料强度参数的关系通过平板冲击实验数据确定;破碎材料强度参数通过数值模拟与实验结果对比的反馈法得到。将材料模型应用于平板冲击和破片侵彻的数值模拟,通过数值模拟与实验结果对比的方式,验证材料模型的准确性。结果表明,平板冲击实验中,材料的自由面粒子速度曲线与数值模拟结果吻合度较高;破片侵彻实验中,破片对钢靶的侵彻深度、开坑孔径与数值模拟结果的一致性较好,构建的材料模型较准确反映了材料的动态力学特性。     

The multi-axial deformation behavior of bulk metallic glasses at high homologous temperatures

In this work, we study the behavior of a recently-developed Lanthanum-based bulk metallic glass under uniaxial and multi-axial stress-states using the constitutive model developed by Thamburaja and Ekambaram (2007). The material parameters in the constitutive model are fitted to match the stress–strain responses obtained from a set of simple compression experiments conducted at temperatures within the supercooled liquid region under a variety of strain rates spanning approximately three decades. With the material parameters calibrated, we show that the aforementioned constitutive model is able to accurately predict the force vs. displacement responses of representative experiments conducted under multi-axial stress-states at temperatures within the supercooled liquid region, namely three-point bending and the superplastic forming of a miniature gear component. In particular, the evolution of the specimen geometry during the deformation under multi-axial loading conditions are also well-predicted by the constitutive model.     

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO₂。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。