Zr基非晶合金纳米压痕变形行为及有限元模拟

摘要

随着块体非晶合金制备技术和研究技术的日益成熟，人们发现其具有优异的物理、化学和力学性能，这些优异性能为非晶合金的广泛应用奠定了坚实的基础。近年来，研究者们不断采用高精度的纳米压痕技术和各种理论模型来探索非晶合金的微结构和变形行为的关联。目前一些针对非晶合金微观结构的非均匀性研究表明，非晶合金存在纳米级尺度的模量非均匀性。本文选用Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金(Zr-based bulk amorphous alloy, Zr-BAA)为对象，通过纳米压痕和原子力显微镜及有限元模拟研究了Zr-BAA室温纳米力学行为及结构非均匀性对其力学行为的影响。本文的主要结果如下：
　　1.室温下Zr-BAA在不同加载速率的纳米压痕实验中发生了pop-in事件，这些离散的pop-in对应着单个或多个剪切带的激活。低加载速率促进更多明显的锯齿产生，高加载速率则抑制了锯齿流变。保载阶段的蠕变位移随速率的增加而变大，此现象与过剩自由体积和加载阶段位移在总位移中所占的比例有关。
　　2.用经验公式对保载阶段的位移(h)-时间(t)曲线进行了拟合，并计算出蠕变应力指数，得出蠕变应力指数随加载速率的增加而降低，这是因为高加载速率下加载阶段更多自由体积的积聚和较少自由体积的湮灭的联合效应进而产生了较多的过剩自由体积，从而导致保载阶段出现更多的剪切转变区(STZ)和均匀流动。
　　3.用有限元法模拟了纳米压痕载荷(P)-位移(h)曲线。结果表明，Zr-BAA的变形行为较好地遵守Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则，说明正应力对非晶合金的塑性变形有影响。不同屈服准则下卸载后的应力云图显示von Mises有效应力在与压头接触的区域达到最大值，暗示剪切带形成的位置与von Mises有效应力有关。
　　4.利用原子力显微镜(AFM)对纳米压痕形貌进行了观测。压头周围有一些剪切带，这与压头接触区域下方的有效应力最大相吻合。
　　5.研究了弹性模量的非均匀性(如高斯分布)对Zr-BAA纳米压痕行为的影响。发现材料弹性模量均匀分布时，von Mises等效应力也是均匀分布的；随着非均匀性的增加，最大应力分布越分散，非均匀应力出现交替分布；另一方面，当非均匀性低于某一值时，其对Zr-BAA纳米压痕行为的影响微乎其微。

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第1章 绪论

1.1 块体非晶合金发展历史

1.2 纳米压痕技术

1.3 块体非晶合金室温纳米压痕蠕变行为

1.4 块体非晶合金断裂行为

1.5 块体非晶合金结构非均匀性

1.6 锆基块体非晶合金的研究

1.7 本文的主要内容和意义

第2章 有限元法基本理论

2.1 有限元法概况

2.2 ANSYS有限元软件

2.3 弹塑性本构关系

2.4 本章小结

第3章 Zr基非晶合金纳米压痕行为

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 Zr基非晶合金纳米压痕有限元模拟

4.1 引言

4.2 非晶合金室温力学行为有限元研究

4.3 有限元模拟

4.4 本章小结

第5章 模量非均匀性对Zr基非晶合金纳米压痕行为的影响

5.1 引言

5.2 Herz理论[86]

5.3 实验与样品制备

5.4 有限元建模

5.5 有限元模拟结果与讨论

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

附录(攻读硕士学位期间发表的学术论文)