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.      

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.     

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.      

动态载荷下剪切变形局部化、微结构演化与剪切断裂研究进展

总结和评述了近年来金属与合金变形局部化的形成、微结构演化与剪切断裂方面作者和相关的研究工作成果. 材料包括低碳钢, SS304不锈钢, Fe-15%Ni-15%Cr单晶, Al-Li合金,α-Ti和Ti-6Al-4V, Al/SiCp复合材料等.综述内容主要包括:采用改进的Hopkinson扭杆装置,对剪切变形局部化形成、发展和演化过程进行了实验观察与数值模拟;采用"侧剖"与"对接"等定点方法制备电子显微镜薄膜试样,对剪切带内相变与再结晶、非晶转变、旋涡结构等动态变形现象,以及与宏观动态力学行为对应的位错胞的形成、发展和坍塌等微结构特征进行了观测;提出了应变和应变率同时作为剪切带形成的两个必要条件的直接实验证据;在剪切带内发现了α'$-马氏体相变现象,以及相变产物与母体之间的晶体学关系;通过位错单滑移或交滑移等微观剪切最后发展成为宏观剪切的机制;对剪切带内再结晶结构的观测和对再结晶动力学本构关系的定量描述;对剪切带特别是``白色'腐蚀带(或相变带)的形成机制的分析和新的解释,指出 ``白色'是带内亚结构取向趋于一致,其在光学或扫描显微镜下很难辨认这些亚结构的取向差所致,并非表明剪切带内一定发生了相变;通过截断实验和实时跟踪观测发现,剪切带内微裂纹的萌生与聚合是材料承载能力骤然下降并导致最后断裂的主控因素.此外,本文对近年来在准静态和循环加载下材料的局部化形变与剪切断裂的实验结果予以简要评述,指出其微观机制与动态载荷下的截然不同, 是由位错的平面滑移所控制的,与热效应无关的等温变形.      

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.      

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α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_β为0.63 eV.与准点缺陷浓度对应的关联因子χ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.     

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.     

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.      

中高熵合金的动态力学行为研究进展

中高熵合金是近二十年提出的一种多主元金属合金，打破了传统合金以1-2种金属元素为主元的设计理念.中高熵合金由于多主元的成份设计提高了材料的构型熵和混合熵，展现出许多奇特的组织结构和性能.相比铝合金、钛合金以及钢铁等传统金属，中高熵合金表现出优异的准静态力学性能和动态力学性能等.在高应变速率下，材料的塑性变形受到更多因素的影响，如应变率、温度等.本文首先介绍中高熵合金动态力学性能(包括动态剪切、夏比冲击，动态层裂强度，侵彻自锐性等)的相关研究，并总结了中高熵合金动态变形的微结构变形机理；随后综合概括了中高熵合金中绝热剪切带行为和温度效应的研究现状；最后对中高熵合金在冲击动力学领域的应用和研究趋势提出展望.     

表面粗糙度对TC4钛合金柱壳剪切带形成的影响

剪切带是材料在高应变率加载条件下特有的变形和损伤形式之一,关于影响金属材料中剪切带形成的敏感性因素及其机理的研究,一直是科学研究和工程设计中关注的重点问题. 在柱壳高速坍塌过程中,剪切带优先在内表面形核, 其形核及扩展行为受内表面介观状态的影响显著.本文采用爆轰加载厚壁圆筒坍塌实验技术,结合材料表面处理技术、微结构表征技术和剪切带理论模型分析,研究了内表面粗糙度变化对TC4钛合金柱壳剪切带形成影响的细观动力学规律.结果表明, 在爆炸加载形成的高应变率条件下,表面粗糙度对TC4钛合金柱壳中剪切带形成具有明显影响. 在相同的变形条件下,随着试样内表面粗糙度的增大, 剪切带数量、长度和形核速率均增大;表面粗糙度越大, 部分剪切带扩展速率越快, 剪切带长度差异越大,剪切带的屏蔽效应增强. 分析表明,实验获得的剪切带间距与W-O模型和M模型预测结果基本吻合,具体数值受试样内表面粗糙度影响, 随着表面粗糙度的增大,实验结果逐渐小于预测数值.      

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

冲击载荷下钨合金圆台试件绝热剪切变形局部化的数值模拟

采用有限元计算编码ABAQUS模拟了钨合金圆台试件在冲击载荷下的变形和剪切局部化行为.计算采用二维轴对称应变条件下的绝热模型.钨合金的本构方程采用热粘塑性形式的Johnson-Cook模型.为了得到不同尺度的变形信息,计算中用了两种网格;先用粗糙网格分析试件变形局部化的概貌;接着,用细密网格(在变形局部化区域,网格尺寸达到10μm)分析绝热剪切带的形成和发展.有限元模拟得到的绝热剪切带位置和方向与实验一致.计算结果表明,绝热剪切带的形成和发展与试件的应力状态密切相关.     

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.     

块体金属玻璃压缩变形和破坏特性的有限元模拟研究

论文通过LS-DYNA软件的用户自定义材料子程序(UMAT),将考虑自由体积、热以及静水应力影响的三维热力耦合本构模型编写入有限元软件中.同时考虑金属玻璃材料内部结构的不均匀性,建立了包含随机分布剪切带弱区的有限元模型.在此基础上开展了针对块体金属玻璃在准静态压缩和弯曲条件下的有限元模拟研究,具体分析材料的非均匀变形和破坏特性,并特别研究了相应的剪切带行为,包括剪切带的形核、传播以及剪切带诱导的断裂等.     

基于物理中面FGM简支梁的弯曲行为

基于一阶非线性梁理论,利用物理中面概念导出了FGM梁的基本方程,分析了热载荷作用下简支FGM梁的弯曲行为.当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向、并按成分含量的幂指数形式变化;利用打靶法数值地求解了所得方程.数值结果表明:热载荷作用下,夹紧FGM梁发生过屈曲变形,而简支梁则发生较为复杂的热弯曲变形;在同一热载荷作用下,简支FGM梁将会产生三种构形问题;剪切变形对夹紧FGM梁的热变形影响比简支梁更明显.     

粉末烧结钨合金材料的绝热剪切研究

在分离式霍普金森压杆装置上对斜圆柱粉末烧结钨合金试件进行了冲击实验,由于斜圆柱结构中剪切分量在冲击压缩中的持续作用,实验中观察到了宏观破断现象。利用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对试件断面和试件的纵截面进行了分析,观察到了贯通钨颗粒的绝热剪切带这一变形局部化现象。对粉末烧结钨合金绝热剪切破坏机制进行了分析。     

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。     

纵横载荷作用下功能梯度梁的弯曲和过屈曲

基于一阶非线性梁理论和物理中面概念,导出了纵横向载荷作用下功能梯度材料(FGM)梁非线性弯曲和过屈曲问题的控制方程,并获得了该问题的精确解;据此解研究了梯度材料性质、外载荷、横向剪切变形以及边界条件等因素对功能梯度材料梁非线性力学行为的影响,分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向,并按成分含量的幂指数函数形式变化。结果表明:纵横载荷共同作用下,功能梯度梁的弯曲构形将有无限多个;随着梯度指数的增大,梁的变形减小,临界载荷升高;随着长高比的增大,横向剪切变形的影响减小。     

密集颗粒体系的颗粒运动及结构测量技术

颗粒材料由大量粗颗粒堆积形成, 是复杂的多体相互作用体系, 呈现出颗粒尺度的结构不均匀和动力学不均匀性的基本特征, 这决定了颗粒材料具有很多独特的宏观性质. 借鉴学科历史的发展途径, 基于统计力学, 从颗粒结构和动力学开始建立颗粒材料体系的宏观连续介质力学理论框架是必然途径.但是, 颗粒材料的基本特征决定了从基本理论到实验手段上, 表征与建立颗粒材料结构与性能的相关性都极其困难.这是由于现有测试分析手段所描述的颗粒系统组织结构过于简单化, 缺乏对颗粒结构和动力学的真正认识, 从而制约了颗粒物质研究的发展.因此, 开展颗粒体系结构和动力学性质的测量, 是理解和认识颗粒材料重要物理和力学问题的基础和依据.笔者来自不同的科研院所, 近十年来开展了颗粒体系结构和动力学性质的测量研究, 主要集中于以下两个方向: (1)数字图像测速法、散斑能见度光谱法和X射线- CT等非侵入式测量技术在颗粒运动方面的应用; (2)体积响应谱、力学谱(有效质量和内耗等)和声速测量技术等直接或间接测量颗粒接触力和颗粒结构技术.本文综述了这些实验手段的基本原理及其特点、取得的主要成果, 以及国际最新进展和困难. 最后是对全文的总结, 结合笔者开展测量的经验和教训, 提出了自己的看法, 并试图展望颗粒材料测量技术研究的前景.