Zr基块体非晶合金过冷液相区力学性能及本构关系研究

摘要

块体非晶合金是一种新型金属材料，独特的原子结构赋予其不同于普通晶态金属的优异性能，如高强度、高硬度、耐腐、耐磨、易于近净形加工成形等。其中Zr基（Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5、Zr55Al10Ni5Cu30）是玻璃形成能力（GFA）很好的块体非晶合金形成体系。
　　 本文以Zr55Al10Ni5Cu30块体非晶为研究对象，研究其过冷液相区的力学性能及高温塑性变形机理，并基于高温压缩实验及早期经验模型，提出基于Maxwell-Pulse 唯象形本构关系模型，通过有限元模拟方法（FEM）进行了验证。采用铜模吸铸方法成功制备了直径为3mm的Zr55Al10Ni5Cu30。并采用X 射线衍射分析（XRD）和示差扫描量热（DSC）方法进行结构和热性能的表征，确定其玻璃转变温度Tg，晶化开始温度Tx和熔点温度Tm，得到过冷液相区温度范围。研究块体非晶合金Zr55Al10Ni5Cu30 在过冷液相区的形变行为，采用Zwick/Roell力学性能试验机进行高温压缩实验，研究应变速率、温度、径高比、尺寸大小对非晶合金过冷液相区力学性能的影响。实验结果表明，过冷液相区非晶力学行为对温度和应变速率都很敏感。也研究了径高比对过冷液相区非晶力学性能的影响，高径比太大，会产生失稳，流动应力值较大，径高比较小，接触表面的影响增大，则摩擦影响较大，流动应力值也较大。尺寸大小的影响，当坯料尺寸减至1mm时，块体非晶合金的流变行为受尺寸效应的影响，流动应力值增大。探讨553010 5 ZrCuAlNi 块体非晶在过冷液相区的变形规律，以粘度和应变速率敏感系数为主要参数，研究其过冷液相区的牛顿流变与非牛顿流变的转变。采用X 射线衍射分析（XRD）的方法，研究其高温塑性变形中的晶化行为，在出现应力过冲前后晶化现象有明显差异，而应力过冲的峰值与温度和应变速率都有关，则晶化行为也是依赖于温度和应变速率的过程。分别拟合了三种流动力学模型（扩展指数模型，自由体积模型，虚应力模型）的本构方程。并在这些流动力学模型的基础上，提出Maxwell-Pulse 唯象型本构关系，用以描述该材料过冷液相区应力应变曲线。基于MSC.Marc 有限元模拟软件，检验该本构方程。通过采用热力耦合模型模拟块体非晶合金高温压缩实验，分别分析了应力场和温度场的分布及数值大小，分析结果表明：Maxwell-Pulse方程能很好的拟合Zr基非晶过冷液相区的变形行为，不但能拟合牛顿流变区域变形行为，也可以拟合牛顿流变向非牛顿流变转变的变形行为。从温度场的分布可以推断块体非晶发生部分结晶或者生成纳米晶首先发生在模具与材料接触表面上，且沿径向分布方向，越靠近试样边缘区域温度越高。