锆基非晶合金在过冷液相区的热塑性成形尺寸效应研究

摘要

本研究利用差示扫描量热测试、X射线衍射、原位纳米力学测试、金相显微测量系统、高温压缩实验、双杯挤压成形实验与有限元数值模拟等多种分析测试手段，系统地研究了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在过冷液相区的热塑性成形尺寸效应。
　　首先制备具有相同初始自由体积含量的不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金试样，采用差示扫描量热法检测了非晶合金的玻璃态转变温度、起始晶化温度与孕育时间。通过高温压缩实验，分析了非晶合金在过冷液相区的热塑性尺寸效应规律。实验结果表明，随着试样尺寸增大，非晶合金的稳态流动应力、应力过冲峰值、弹性模量与平衡粘度均逐渐降低，同时过冲峰值应变升高。在较低温度和较高应变速率的变形条件下，应力过冲现象随尺寸增大逐渐减弱直至消失，并且材料流变行为由非牛顿流变转变为牛顿流变。此外，非晶合金的活化体积含量与缺陷浓度均随尺寸增大而逐渐升高。
　　通过不同尺寸试样的温度场数值模拟实验与恢复焓值DSC测试，分析了试样尺寸对于Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金内部结构弛豫行为的影响规律。结果表明，非晶合金的恢复焓值随试样尺寸减小而增大。从而证明，在实际热塑性成形工艺的预热过程中，不同尺寸试样的比表面积差异所带来的温度场梯度分布会造成试样内部的结构弛豫程度不同，从而导致较大尺寸试样内部的自由体积湮灭量较少。在初始自由体积含量相对一致的情况下，非晶合金试样尺寸越大，其内部剩余的自由体积含量越高，则较大尺寸试样的塑性流变应力较低。
　　研究了试样尺寸对于非晶合金热塑性流变行为的影响规律。根据经典粘度理论与自由体积理论分别提出了稳态流动应力、弹性模量、应力过冲峰值与峰值应变四项尺寸效应本构关系因子，并以此构建了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在过冷液相区内的热塑性尺寸效应本构关系。对比结果表明，该本构关系可以准确表征非晶合金的热塑性流变行为的尺寸效应和应力过冲以及非牛顿流变与牛顿流变模式转变等特征力学现象。
　　深入分析不同尺寸试样内部的自由体积含量变化规律，发现非晶合金的稳态自由体积含量随试样尺寸增大，变形温度升高与应变速率加快而逐渐升高。根据温度场梯度模型、结构弛豫理论与应力诱导效应，分别提出了非晶合金的饱和自由体积含量、结构弛豫湮灭量与应力诱导生成量的尺寸依赖数学模型，并以此构建了基于尺寸效应的非晶合金自由体积计算模型。验证结果表明，该模型可为不同尺寸非晶合金试样在热塑性成形过程中的自由体积含量变化提供准确有效的量化分析结果。
　　通过不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金试样的双杯挤压实验，有限元数值模拟与纳米压痕力学测试，分析了不同尺寸试样内部的材料流变行为对其热塑性成形情况的影响规律。结果表明，双杯挤压试样的上、下杯高比值随试样尺寸增大和变形温度升高而逐渐降低。其显微硬度随试样尺寸增大而逐渐降低，并且同一试样上杯圆角底部位置的显微硬度明显低于下杯部分。从而印证了不同尺寸双杯挤压试样内部上杯部分的自由体积含量同样高于下杯部分，并且较大尺寸试样的平均自由体积含量较高。因此，非晶合金在热塑性成形过程中的塑性成形能力同样随尺寸增大而逐渐提高。
　　综上所述，Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在过冷液相区内呈现出“越大越软”的热塑性尺寸效应规律。在高温变形条件下，由不同尺寸试样的比表面积差别所引起的自由体积湮灭量差异是导致非晶合金热塑性成形的尺寸效应的主要原因之一。实验结果证实，耦合了本文所构建的热塑性尺寸效应本构关系与自由体积计算模型的有限元模型能够有效地预测热塑性成形过程中的成形载荷、工件几何形状、材料流变行为和自由体积含量变化趋势。上述两项模型也可以为过冷液相区内非晶合金的力学性能分析与微观组织结构演变机理研究提供相应的理论基础和有效分析手段。

目录

声明

1 绪 论

1.1 非晶合金的发展历程

1.2 非晶合金热塑性成形技术现状

1.3 非晶合金的尺寸效应研究

1.4 非晶合金的热塑性本构模型与自由体积理论研究现状

1.5 本工作的主要内容与研究意义

2 非晶合金热塑性流变行为的尺寸效应

2.1 引言

2.2 实验研究方案

2.3 实验结果分析

2.4 本章小结

3 非晶合金在过冷液相区的热塑性尺寸效应本构关系

3.1 引言

3.2 Maxwell-Pulse本构关系及其基本参数拟合

3.3 尺寸相关的热塑性本构关系因子

3.4 过冷液相区的热塑性尺寸效应本构关系

3.5 本章小结

4 基于尺寸效应的非晶合金自由体积计算模型

4.1 引言

4.2 试样尺寸对温度场分布与恢复焓值的影响

4.3 试样尺寸对结构弛豫行为与自由体积含量的影响

4.4 不同尺寸试样饱和自由体积含量的计算分析

4.5 基于尺寸效应的自由体积计算模型

4.6 本章小结

5 非晶合金热塑性双杯挤压实验

5.1 引言

5.2 实验研究方案

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 全文总结

6.1 主要研究结果

6.2 本论文的创新之处

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间参与的课题研究情况