Zr基大块非晶合金在过冷液相区中的塑性变形行为及有限元模拟

作     者：张黎楠 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柳林

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：大块非晶合金 过冷液相区 塑性变形行为 本构方程 有限元模拟 

摘      要：本论文利用X射线衍射分析仪(XRD)、示差扫描量热仪(DSC)、Zwick/Roell力学性能试验机和HV-1000型显微维氏硬度计等系统研究了Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金的结构、热稳定性、在过冷液相区内中的塑性变形行为以及变形后的结构和性能,并采用DEFORM-3D有限元软件对Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金在过冷液相区内的单轴压缩实验进行了有限元方法(Finite element method, FEM)的数值模拟。 采用电弧熔炼/铜模吸铸技术制备了直径为3mm的大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5。DSC实验结果表明:大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5具有合适的玻璃转变温度和宽广的过冷液相区;通过绘制大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5的TTT曲线,为其在过冷液相区的单轴压缩实验选择了一系列的成形温度和应变速率。 利用Zwick/Roell力学性能试验机研究了Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金在过冷液相区中(417℃52℃)、应变速率5×10-4s-1×10-1s-1条件下的塑性变形行为。实验结果表明:大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5在过冷液相区内的塑性变形行为强烈依赖于温度和变形速率。在低的应变速率和高的成形温度下大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5的流变特征表现为牛顿流变,而在高的应变速率和低的成形温度下大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5的流变特征由单一的牛顿流变转变为非牛顿流变。由此,大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5在过冷液相区的最佳成形区域为:437±5℃,应变速率1×10-3s-1 ×10-2s-1。采用XRD、DSC和显微维氏硬度计等实验手段系统研究了塑性变形行为对大块非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5的结构、热稳定性和硬度值的影响。研究表明:成形后的样品基本保持原有的非晶结构,但晶化焓有所减少,显微硬度值均有所提高。 采用三种不同的模型尝试建立非晶合金关于流动应力、应变速率和温度的本构方程。通过对VFT方程的拟合表明: Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金具有强玻璃形成能力的物理本质。基于超塑性流变本构方程,系统地拟合了Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金在温度分别为427℃、437℃和447℃时的系数K和m,此方程适用于牛顿流变区域。基于应力松弛流变力学本构方程,确定了流动应力、应变速率和温度的关系,推导出了适用于Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶合金在过冷液相区内非晶相的力学本构方程,并对应力松弛流变力学本构方程的参数进行了拟合。 基于DEFORM-3D有限元模拟软件,采用超塑性流变本构方程为材料模型的数值分析结果表明:超塑性流变本构方程在牛顿流变区域的数值模拟分析结果与实验结果能较好的吻合,温度和应变速率显著地影响着样品的塑性变形行为,这一趋势与实验结果吻合的较好。由于未考虑自由体积在塑性变形过程中的作用,此本构方程不适用于非牛顿流变区域。