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.      

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.     

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Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀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.Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀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...     

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.      

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.     

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_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅(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<...     

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.     

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.      

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.     

火炬松木材剪切弹性模量的测试研究

研究采用变跨距的三点弯曲方法测试10年生火炬松木材17号家系和50号家系的剪切弹性模量GLT,GLR值;用45°偏轴压缩法测量GRT值.测试结果表明,速生材火炬松的剪切弹性模量GLT,GLR,GRT都不高,在70-180 MPa之间,其中GRT最小;另外,整体上火炬松17家系的抗剪切性能优于50号家系.     

PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

蜂窝夹芯剪切等效模量研究

蜂窝夹层轻型结构以其比强度、比刚度高,而在航空航天工程中被广泛采用．由于蜂窝形状、尺寸多样,使夹层结构设计、优化分析变得复杂,特别是蜂窝夹芯的剪切模量难以准确的等效计算．以薄板理论为基础采用有限元方法对单蜂窝分析的方法,获得蜂窝夹芯的剪切等效模量,与其它方法相比较,精度较高,与试验结果吻合较好．     

周期性多孔材料等效剪切模量与尺寸效应研究

提出了以圆筒扭转力学模型为基础, 预测周期性多孔材料等效剪切模量及其研究尺寸效 应的一种简单有效计算方法. 以方形孔和圆形孔两种典型多孔材料为例进行了数值计算求解; 同时, 建立了几何参数随体胞尺寸缩放因子$n$的解析关系, 证明了两种构型的周期性多孔材 料的等效剪切模量均随尺寸缩放因子$n$的增大而减小. 当$n \to \infty $时, 即体胞尺寸相对整体结构无限小时, 多孔材料的等效剪切模量趋近收敛于一个恒定值; 当体胞的材料体分比增大时, 多孔材料等效剪切模量也随之增大. 此外, 依据周 期性多孔材料的结构对称特性, 使用体胞子结构有限元计算模型进行等效剪切模量及其尺寸 效应的预测, 极大地提高了计算效率.     

A MODIFIED TORSION PENDULUM FOR MEASURING THE SHEAR MODULUS OF A SINGLE MICRO-SIZED FILAMENT

A modified torsion pendulum apparatus is developed for measuring the shear modu- lus of single filaments with uniform micro-sized diameter. A single filament fixed at both ends and with a ring-shaped mass attached at the middle is used as a clamped-clamped torsion pendulum. The shear modulus of single filaments can be expressed as a function of the oscillation frequency of the torsion pendulum. The oscillation motion is measured with a CCD laser displacement sensor, and its frequency is determined by the Fast Fourier Transform （FFT） method. The shear moduli of three types of filaments： copper wires, tungsten wires and carbon fibers are accurately measured with this technique. It is found that the size effect in shear moduli of both copper wires and tungsten wires is minor. Finally, the error analysis of our measurement technique is presented in detail.     

ANALYSIS OF A CRACK IN A FUNCTIONALLY GRADED STRIP WITH A POWER FORM SHEAR MODULUS

The plane strain problem of a crack in a functionally graded strip with a power form shear modulus is studied. The governing equation in terms of Airy＇s stress function is solved exactly by means of Fourier transform. The mixed boundary problem is then reduced to a system of singular integral equations and is solved numerically to obtain the stress intensity factor at crack-tip. The maximum circumferential stress criterion and the strain energy density criterion are both employed to predict the direction of crack initiation. Numerical examples are given to show the influence of the material gradation models and the crack sizes on the mode-I and mode-II stress intensity factors. The dependence of the critical kink-angle on the crack size is examined and it is found that the crack kink-angle decreases with the increase of the normalized crack length, indicating that a longer crack tends to follow the original crack-line while it is much easier for a shorter crack to deviate from the original crack-line.     

关于蜂窝芯体面外等效剪切模量的讨论

对于六边形蜂窝芯体,其面内等效参数具有确定的解析式,便于应用;相比之下,对于面外等效剪切模量,现有工作只能给出其上下限,由于没有确定的取值,给工程计算带来了困扰。为克服这一矛盾,本文通过Y型蜂窝胞元,针对薄面板的情况,重新分析了芯材的面外等效剪切模量。针对直壁板与斜壁板厚度为1:1和2:1的情况,给出了近似的弹性力学解答,并由此确定出面外等效剪切模量的上限。本方法所确定的剪切模量的上限与文献给出的剪切模量的下限是相同的,从而使该模量也具有确定的解析表达式,方便了数值计算和分析。试验数据和有限元数值分析均验证了本文结论的正确性。     

边界膜剪切弹性模量对于微接触性能的影响

建立接触模型,理论分析了微接触中边界膜剪切弹性模量对于接触性能的影响. 接触区由两平行平面形成,属一维接触. 上接触表面为粗糙表面,具有矩形微凸体. 下接触表面为光滑平面. 两接触表面均处理成刚性表面. 微接触区中充满流体. 它分成两个子区,在微接触的出口区由于极小的接触间隙充满边界膜,在微接触的入口区由于接触间隙较大充满流体膜. 边界膜和流体膜行为决定整个微接触性能. 当膜厚较大时,这里边界膜可看成纳米级薄膜. 由于上接触表面处有限的剪应力承受能力,边界膜可于上接触表面滑移. 设下接触表面处剪应力承受能力很大而边界膜在下接触表面不滑移. 由于边界膜-接触表面间相互作用,边界膜黏度、密度和剪切弹性模量均沿膜厚变化,在理论分析中使用它们的等效值,这些值与边界膜厚度有关. 流体膜在两个接触表面均不发生滑移,分析中不考虑流体膜剪切弹性模量. 流体膜采用传统分析法. 给出了理论分析和若干变工况参数下的计算结果.      

垂直沉积干燥薄膜的剪切模量粒径依赖研究

作者前期在关于胶体颗粒粒径对干燥薄膜的初始裂纹形成影响的研究论文中报道了:对于相同厚度薄膜的初始裂纹,其裂纹间距随颗粒粒径的增大而减小.本文从这一实验现象出发,针对垂直沉积干燥薄膜的剪切模量进行了进一步的理论分析.结果表明此薄膜的剪切模量同样具有粒径依赖的特性.同时,通过与颗粒聚集体材料剪切模量的粒径依赖性的比较,我们发现二者有所差异,这表明干燥薄膜的剪切模量不仅仅由其固相部分决定,其液相部分的影响不可忽视.