非晶合金室温下力学行为的理论分析与 数值模拟

摘要

块体非晶合金的高强度、高弹性极限、高耐蚀性和耐磨性、优异的磁性能等优点，使之成为军事、航天、海洋、电力、微机电系统等领域最具应用前景的一类金属基新材料。然而，非晶合金独特的均质无定形结构，缺乏排列有序的原子晶面和位错，使其具有不同于传统晶体材料的变形机制和屈服行为。同时，缺乏室温宏观塑性也限制了块体非晶合金的工程应用。因此，通过外加工如喷丸处理提高非晶合金室温塑性、通过数值模拟研究非晶合金室温下的力学行为以及外加工对其力学行为的影响与机制已经成为国内外学者关注的热点问题。
　　 本文以非线性连续介质力学大变形理论为基础，通过自由体积模型，结合与静水压力相关的Coulomb-Mohr屈服准则，建立了能够描述静水压力影响和塑性应变率相关的非晶合金本构模型。然后在ABAQUS有限元软件中对块体非晶合金弯曲过程、块体非晶合金激光喷丸过程，以及激光喷丸处理后块体非晶合金的弯曲过程进行了数值模拟，最后对上述过程中的应力、应变、弯矩和挠度进行了力学解析研究。论文从数值模拟和理论解析的角度探索了激光喷丸用于提高块体非晶合金室温塑性的方法，对提高块体非晶合金的应用具有重要的意义。
　　 本文首先模拟了Zr基块体非晶合金的单轴压缩变形过程，验证了该本构模型的合理性。在非晶合金弯曲过程中，网格密度对剪切带的带间距没有影响;非晶合金的厚度与剪切带带间距呈近似线性关系，随着厚度的增加，剪切带之间的距离增大，非晶合金中剪切带的密度降低，致使非晶合金的塑性成形能力降低。在激光喷丸后，块体非晶合金表面形成了微凹坑，并伴随着残余压应力的产生。沿着厚度方向，表面残余压应力逐渐过渡到内部的残余拉应力。峰值压力和冲击次数的增加对凹坑的深度和表面残余压应力起到促进作用。激光诱导的初始残余应力的存在使得后续的弯曲过程中拉伸层的拉应力减小，厚度增加;压缩层的压应力增大，厚度减小。同时，激光喷丸后块体非晶合金弯曲变形过程中剪切带的数量增多，弹性极限量增大，屈服强度也增大，塑性成形能力提高。
　　 基于弹塑性力学理论，推导了合金在激光喷丸后弯曲过程中的应力，弯矩和挠度表达式，并与未经激光处理的样品进行了比较。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 块体非晶合金概述

1．2 块体非晶合金的力学性能

1．2．1 强度、硬度与弹性性能

1．2．2 断裂韧性

1．3 块体非晶合金的变形机制

1．4 激光喷丸技术简介

1．5 本文工作

第二章 非晶合金的本构关系

2．1 引言

2．2 块体非晶合金室温下力学行为有限元模拟研究进展

2．2．1 基于材料宏观力学行为的本构模型

2．2．2 基于材料微观变形机理的本构模型

2．3 基于自由体积理论的非晶合金本构模型

2．3．1 变形梯度的乘法分解

2．3．2 本构关系

2．3．3 屈服准刚

2．4 本构模型的验证

2．4．1 本构关系在VUMAT中的实现

2．4．2 有限元模型的建立

2．4．3 本构模型中材料参数的确定

2．4．4 模拟结果与分析

2．4 本章小结

第三章 块体非晶合金弯曲变形的数值模拟

3．1 引言

3．2 弯曲过程有限元模型的建立

3．3 模拟结果与分析

3．3．1 初始自由体积的分布对剪切带分布的影响

3．3．2 网格划分密度对剪切带分布的影响

3．3．3 厚度对剪切带及塑性的影响

3．4 本章小结

第四章 块体非晶合金表面进行激光喷丸的数值模拟

4．1 引言

4．2 激光喷丸过程有限元模型的建立

4．2．1 有限元模型

4．2．2 冲击压力的时空加载

4．3 有限元模拟结果与讨论

4．3．1 单面喷丸单点冲击

4．3．2 单面喷丸多点冲击

4．3．3 双面喷丸单点冲击

4．3．4 双面喷丸多点冲击

4．4 本章小结

第五章 激光喷丸后非晶合金弯曲过程的数值模拟

5．1 引言

5．2 有限元模型的建立

5．3 模拟结果与讨论

5．3．1 应力场变化分析

5．3．2 自由体积及剪切带的分布

5．4 本章小结

第六章 非晶板材激光喷丸后弯曲过程的解析模型

6．1 引言

6．2 弯曲过程的解析模型

6．2．1 窄厚板的弯曲

6．2．2 宽厚板的弯曲

6．2．3 宽薄板弯曲

6．3 激光诱导的残余应力解析

6．4 激光喷丸后非晶合金的弯曲过程解析

6．4．1 纯弯曲过程中只发生了弹性变形

6．4．2 纯弯曲过程为弹性-理想塑性过程

6．4．3 激光作用的残余压应力在表层深度s范围内为定值

6．4．4 单面激光喷丸后的正向弯曲

6．4．5 单面激光喷丸后的反向弯曲

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表