块体金属玻璃论文-Zr基和Hf基块体金属玻璃的准静态到动态力学行为研究

块体金属玻璃论文：Zr基和Hf基块体金属玻璃的准静态到动态力学行为研究【中文摘要】本论文以Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5和ZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10块体金属玻璃为研究对象，利用差示扫描量热分析（DSC）研究了Hf基金属玻璃的非晶形成能力和晶化行为；利用MTS810万能试验机对准静态条件下金属玻璃的应变速率响应行为和损伤断裂特性进行了分析；采用分离式霍普金森压杆（SHPB）和二级轻气炮进行快速加载实验，对金属玻璃的动态应变速率响应行为和损伤断裂机制进行了探讨。研究结果表明，等温晶化过程中ZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10块体金属玻璃具有明显的动力学效应，具有较强的热稳定性，晶化激活能为655kJ/mol。TEM、HRTEM和XRD的分析结果表明，在723K等温退火3600后，有立方结构的初始亚稳晶化相Al16Hf6Ni7析出；在763K等温退火后析出的晶化相主要有立方结构的Al16Hf6Ni7相、四方结构的Ti2Cu3相和斜方结构Cu3Ti相；在783K等温退火后主要有Al16Hf6Ni7和CuTi2析出相；在更高的温度下等温退火后的析出相为CuTi2、CuHf2。在低应变速率条件下，Hf基和Zr基金属玻璃都不呈现应变速率敏感性；Hf基金属玻璃具有更高的断裂强度，但其塑性较低，主要呈现脆性断裂方式，优先析出相CuTi2使其断裂强度升高，随着CuHf2相的大量析出，强度下降,在Hf基金属玻璃粗糙断口表面的放射区可以发现大量纳米级的韧窝结构，表现出局域塑性特征，说明正应力在断裂的过程中起着重要的作用。同时，在断口表面的扇形区以间距为60nm左右的周期性条纹结构为主要特征，并且条纹间距与应变速率的变化关系不大，分析认为周期性条纹的产生是弹性波传播过程中与动态扩展的裂纹前端产生相互作用的结果；在动态压缩条件下，Hf基金属玻璃的屈服强度随着应变速率的增加呈现明显降低的趋势，呈现负的应变速率敏感性。其断口形貌主要为树枝状和脉状花样，同时出现局部熔融现象。结果表明，在高应变速率条件下，金属玻璃内部聚集的大量弹性应变能的瞬间释放，导致了绝热升温，进而使其局部的粘度迅速降低，形成了粘滞流变层。裂纹在粘滞流变层内的快速萌生与扩展伴随多重剪切带的产生及材料的多重断裂，进一步加剧了金属玻璃的绝热升温，使金属玻璃在更大范围内进一步发生局部软化，最终导致材料强度的急剧下降，断口表面形成脉状花样和局部熔融现象。Zr基金属玻璃在低应变速率条件下，主要表现为韧性断裂特征，断口表面为涟漪状花样，未发现周期性条纹结构，但在高速冲击过程中，由于裂纹的快速扩展，在断口表面的核心放射区出现周期性排布的平行条纹，条纹间距约为100nm，受应变速率的影响不大；在高速冲击加载条件下Zr基金属玻璃发生了层裂现象，样品沿着与冲击方向不同的多个夹角方向产生裂纹和断裂，这与准静态压缩和拉伸不同；在Zr基金属玻璃冲击点观察到了由于高应变速率变形导致的熔化现象。在动态损伤过程中，伴随着热与力的耦合效应。压缩正应力对剪切带内温度的升高起着重要作用。断口表面不同区域产生的脉状和涟漪状花样与剪切带内温度和软化程度有关。剪切带内自由体积的增殖导致非晶相黏度的下降和强度的降低。在外力作用下，裂纹会沿着低黏度的剪切带和微裂纹进行扩展并发生断裂；冲击速度对Zr基金属玻璃靶发光情况和损伤失效机制具有一定的影响。高应变率会导致断裂面的熔化。并且，随着冲击速度的-增加，发光持续时间从200μs增加到1500μs，发光强度从44W/（Sr.μm）增加到900W/（Sr.μm）。冲击的动能转化为热能以及应变能，应变能除了形成新的断裂面所需的表面能和塑性变形外，剩余部分能量转化为热能，这些热能激活热粒子导致光的发射以及产生绝热升温。【英文摘要】Inthisthesis,theisothermalcrystallizationbehaviorsandglassformingabilityofZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10bulkmetallicglass（BMG）wereinvestigatedbydifferentialscanningcalorimetry（DSC）,transmissionelectronmicroscopy（TEM）andX-raydiffraction（XRD）.Thedynamiccompressionresponsecharacteristics,quasi-staticcompressionresponsecharacteristicsandfracturecharacteristicsofZr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5andZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10bulkmetallicglasseswereinvestigatedbysplitHopkinsonpressurebar（SHPB）,two-stagelightgasgunandMTS810.ThestudyofisothermalcrystallicationbehaviorsshowedthatZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10BMGhadobviouskineticfeature.Itscrystallizationactivationenergywas655kJ/molanditshowedahigherthermalstability.TheanalysesofTEM,HRTEMandXRDshowedthefollowingphasetransitionprocessduringisothermalannealing.TheprimarycubiccrystallizationphaseAl16Hf6Ni7couldbefoundafterisothermalannealingfor3600sat723K.ThecrystallizationphasesofAl16Hf6Ni7（Cubic）,Ti2Cu3（Tetragonal）andCu3Ti（Orthorhombic）couldbefoundafterisothermalannealingfor3600sat763K.WhilethemaincrystallizationproductswereCuTi2andAl16Hf6Ni7afterisothermalannealingat783K.Underthequasi-staticcompressioncondition,theexperimentalresultsshowedthattheHf-basedandZr-basedBMGswereallnotsensitivetostrainrate.ThefracturestrengthofHf-basedBMGwashigherthanZr-basedBMG.Themodeoffracturewasbrittlenessfracture.ThefracturestrengthincreasedwiththeseparationofCuTi2.ButthefracturestrengthdecreasedwiththeseparationofCuHf2.Alargenumberofnanoscaledimplestructureobservedonthefracturesurfacerevealedtheperformanceofthelocalplasticity,whichindicatedthatthenormalstressplayedanimportantroleinthefractureprocess.Meanwhile,theperiodicstripesstructurecouldbeobservedonthefracturesurfaceofHf-basedBMG,itsspacingabout60nm.Theproduceofperiodicstripeswastheresultoftheinteractionofelasticwaveandtheextensionofdynamiccrack.Whiletheyieldstrengthsignificantlydecreasedwiththeincreaseofstrainrateinconditionsofthedynamiccompression.Themetallicglasspresentednegativestrainratesensitivity.Thefracturemorphologyofthevein-likepatternsandbranch-likepatterns,whileapartialmeltingphenomenon,couldbefound.Theresultsshowedthattheadiabaticheatingwasledbecausealargenumberofelasticstrainenergyaccumulatedandinstantlyreleasedattheconditionofhighstrainrate.Andthusitslocalviscositydecreasedrapidly,thenviscousrheologicallayerformed.Inaddition,therapidcrackinitiationandpropagationaccompanywiththegenerationofmultipleshearbandsandfracture,whichincreasesadiabaticheating.Thefurtherlocalsofteningofmetallicglassinawiderrangeledtothesharpdeclineinthestrengthofthematerial.Atlowerstrainrateconditions,ZrbasedBMGshowedtheductilefracturecharacteristics.Thevein-likepatternsandlocalmoltenphenomenoncouldbefoundonthefracturesurface.Buttheperiodicstripestructurewasnotfound.Whileathigherstrainrateonditions,theperiodiccorrugationscouldbeobservedonthefracturesurfaceofZr-basedBMG.Itsspacingwasabout100nm.Therelationshipofthespacingoftheperiodiccorrugationscouldn’tbeobservedwiththestrainrate.Undershockwaveatthehigherimpactvelocities,obvioustracesoflaminatedspallationattheback（free）surfaceandmelting（liquiddroplets）atimpactpointwereobserved.Thechangesofanglestotheshockingdirectionwereobservedbecauseoftheinteractionbetweenthecompressiveshockwavesandtherarefactionwaves.Evidencesofmelting（liquiddroplets）duetohighstrainratedeformationwereobservedatthefracturesurface.Thecouplingofmechanismandheatwerepresentedatthedynamicdamage.Thecompressivenormalstressinducedtheconsequenttemperatureriseinthecoreofashearband.Thetemperatureandthesofteningeffectedtheformationofveinanddimplestructure.Themultiplicationofthefreevolumeledtothedecreaseofviscosityandstrength.Underloads,thecrackwouldextendandbrokenalongtheshearzoneoflowviscosityandmicro-cracks.Thelightemissionlastedfrom200μsto1500μsandtheintensityincreasedfrom44to900W/（Sr.μm）withtheincreaseofvelocity.Thedeformationofthesamplewasmoresevereandthestoredelasticstrainenergywasmuchhighwiththeincreaseofimpactvelocity.Itwasbelievedthattheinteractionbetweenthecompressiveshockwaveandtherarefactionwavefromthebackandlateralsurfaceinducedseveredeformationandfractureofthesamples.Thelightwasemittedinitiallyduetothermalenergyastemperatureincreasedseverely,andthenexcessenergymotivatedthehotparticlessothattheycouldcrossthedetector’sfieldofview.【关键词】块体金属玻璃力学性能准静态压缩动态压缩晶化行为【英文关键词】BulkmetallicglassMechanicalpropertiesQuasi-staticcompressionDynamiccompressionCrystallizationbehaviors【目录】Zr基和Hf基块体金属玻璃的准静态到动态力学行为研究

摘要

4-6

ABSTRACT

6-7

第1章绪论

11-29

1.1大块金属玻璃的制备

11-13

1.2大块金属玻璃的变形机制

13-15

1.3大块金属玻璃的力学性能

15-21

1.3.1大块金属玻璃的准静态力学特性

15-16

1.3.2大块金属玻璃的动态力学特性

16-19

1.3.3温度对大块金属玻璃力学特性的影响

19-21

1.4大块金属玻璃的相稳定性

21-24

1.4.1大块金属玻璃的热稳定性

21

1.4.2应力和应变速率对大块金属玻璃相稳定性的影响

21-23

1.4.3冲击波和高压对大块金属玻璃相稳定性的影响

23-24

1.5内生塑性相对块体金属玻璃复合材料力学行为的影响

24-25

1.6大块金属玻璃的研究进展

25-27

1.6.1Hf基大块金属玻璃的研究进展

25-26

1.6.2Zr基大块金属玻璃的研究进展

26-27

1.7本论文的研究目的、意义和内容

27-29

第2章材料制备及研究方法

29-36

2.1块体金属玻璃的制备

29-30

2.2微观结构分析测试

30-31

2.2.1热分析

30

2.2.2X射线衍射分析

30

2.2.3扫描电镜分析

30-31

2.2.4透射电镜分析

31

2.3显微硬度测试

31

2.4准静态压缩实验

31

2.5动态压缩试验

31-36

2.5.1分离式霍普金森压杆试验

32-33

2.5.2二级氢气炮高速冲击试验

33-36

第3章Hf基大块金属玻璃的热稳定性与晶化行为研究

36-54

3.1前言

36

3.2非晶形成能力及临界冷却速率估算

36-39

3.3等温退火态的微观组织分析

39-45

3.3.1实验方法

39

3.3.2等温退火态的XRD分析

39-41

3.3.3等温退火态的TEM分析

41-45

3.4晶化行为分析

45-53

3.4.1晶化过程热分析

45-52

3.4.2初始晶化行为

52-53

3.4.3晶化过程分析

53

3.5本章小结

53-54

第4章准静态下两种金属玻璃