塊體金屬玻璃論文-Zr基和Hf基塊體金屬玻璃的準靜態(tài)到動態(tài)力學行為研究

塊體金屬玻璃論文：Zr基和Hf基塊體金屬玻璃的準靜態(tài)到動態(tài)力學行為研究【中文摘要】本論文以Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5和ZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10塊體金屬玻璃為研究對象，利用差示掃描量熱分析（DSC）研究了Hf基金屬玻璃的非晶形成能力和晶化行為；利用MTS810萬能試驗機對準靜態(tài)條件下金屬玻璃的應變速率響應行為和損傷斷裂特性進行了分析；采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）和二級輕氣炮進行快速加載實驗，對金屬玻璃的動態(tài)應變速率響應行為和損傷斷裂機制進行了探討。研究結果表明，等溫晶化過程中ZHf44.5Cu27Ni13.5Ti5Al10塊體金屬玻璃具有明顯的動力學效應，具有較強的熱穩(wěn)定性，晶化激活能為655kJ/mol。TEM、HRTEM和XRD的分析結果表明，在723K等溫退火3600后，有立方結構的初始亞穩(wěn)晶化相Al16Hf6Ni7析出；在763K等溫退火后析出的晶化相主要有立方結構的Al16Hf6Ni7相、四方結構的Ti2Cu3相和斜方結構Cu3Ti相；在783K等溫退火后主要有Al16Hf6Ni7和CuTi2析出相；在更高的溫度下等溫退火后的析出相為CuTi2、CuHf2。在低應變速率條件下，Hf基和Zr基金屬玻璃都不呈現(xiàn)應變速率敏感性；Hf基金屬玻璃具有更高的斷裂強度，但其塑性較低，主要呈現(xiàn)脆性斷裂方式，優(yōu)先析出相CuTi2使其斷裂強度升高，隨著CuHf2相的大量析出，強度下降,在Hf基金屬玻璃粗糙斷口表面的放射區(qū)可以發(fā)現(xiàn)大量納米級的韌窩結構，表現(xiàn)出局域塑性特征，說明正應力在斷裂的過程中起著重要的作用。同時，在斷口表面的扇形區(qū)以間距為60nm左右的周期性條紋結構為主要特征，并且條紋間距與應變速率的變化關系不大，分析認為周期性條紋的產(chǎn)生是彈性波傳播過程中與動態(tài)擴展的裂紋前端產(chǎn)生相互作用的結果；在動態(tài)壓縮條件下，Hf基金屬玻璃的屈服強度隨著應變速率的增加呈現(xiàn)明顯降低的趨勢，呈現(xiàn)負的應變速率敏感性。其斷口形貌主要為樹枝狀和脈狀花樣，同時出現(xiàn)局部熔融現(xiàn)象。結果表明，在高應變速率條件下，金屬玻璃內部聚集的大量彈性應變能的瞬間釋放，導致了絕熱升溫，進而使其局部的粘度迅速降低，形成了粘滯流變層。裂紋在粘滯流變層內的快速萌生與擴展伴隨多重剪切帶的產(chǎn)生及材料的多重斷裂，進一步加劇了金屬玻璃的絕熱升溫，使金屬玻璃在更大范圍內進一步發(fā)生局部軟化，最終導致材料強度的急劇下降，斷口表面形成脈狀花樣和局部熔融現(xiàn)象。Zr基金屬玻璃在低應變速率條件下，主要表現(xiàn)為韌性斷裂特征，斷口表面為漣漪狀花樣，未發(fā)現(xiàn)周期性條紋結構，但在高速沖擊過程中，由于裂紋的快速擴展，在斷口表面的核心放射區(qū)出現(xiàn)周期性排布的平行條紋，條紋間距約為100nm，受應變速率的影響不大；在高速沖擊加載條件下Zr基金屬玻璃發(fā)生了層裂現(xiàn)象，樣品沿著與沖擊方向不同的多個夾角方向產(chǎn)生裂紋和斷裂，這與準靜態(tài)壓縮和拉伸不同；在Zr基金屬玻璃沖擊點觀察到了由于高應變速率變形導致的熔化現(xiàn)象。在動態(tài)損傷過程中，伴隨著熱與力的耦合效應。壓縮正應力對剪切帶內溫度的升高起著重要作用。斷口表面不同區(qū)域產(chǎn)生的脈狀和漣漪狀花樣與剪切帶內溫度和軟化程度有關。剪切帶內自由體積的增殖導致非晶相黏度的下降和強度的降低。在外力作用下，裂紋會沿著低黏度的剪切帶和微裂紋進行擴展并發(fā)生斷裂；沖擊速度對Zr基金屬玻璃靶發(fā)光情況和損傷失效機制具有一定的影響。高應變率會導致斷裂面的熔化。并且，隨著沖擊速度的-增加，發(fā)光持續(xù)時間從200μs增加到1500μs，發(fā)光強度從44W/（Sr.μm）增加到900W/（Sr.μm）。沖擊的動能轉化為熱能以及應變能，應變能除了形成新的斷裂面所需的表面能和塑性變形外，剩余部分能量轉化為熱能，這些熱能激活熱粒子導致光的發(fā)射以及產(chǎn)生絕熱升溫?！居⑽恼縄nthisthesis,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.【關鍵詞】塊體金屬玻璃力學性能準靜態(tài)壓縮動態(tài)壓縮晶化行為【英文關鍵詞】BulkmetallicglassMechanicalpropertiesQuasi-staticcompressionDynamiccompressionCrystallizationbehaviors【目錄】Zr基和Hf基塊體金屬玻璃的準靜態(tài)到動態(tài)力學行為研究

摘要

4-6

ABSTRACT

6-7

第1章緒論

11-29

1.1大塊金屬玻璃的制備

11-13

1.2大塊金屬玻璃的變形機制

13-15

1.3大塊金屬玻璃的力學性能

15-21

1.3.1大塊金屬玻璃的準靜態(tài)力學特性

15-16

1.3.2大塊金屬玻璃的動態(tài)力學特性

16-19

1.3.3溫度對大塊金屬玻璃力學特性的影響

19-21

1.4大塊金屬玻璃的相穩(wěn)定性

21-24

1.4.1大塊金屬玻璃的熱穩(wěn)定性

21

1.4.2應力和應變速率對大塊金屬玻璃相穩(wěn)定性的影響

21-23

1.4.3沖擊波和高壓對大塊金屬玻璃相穩(wěn)定性的影響

23-24

1.5內生塑性相對塊體金屬玻璃復合材料力學行為的影響

24-25

1.6大塊金屬玻璃的研究進展

25-27

1.6.1Hf基大塊金屬玻璃的研究進展

25-26

1.6.2Zr基大塊金屬玻璃的研究進展

26-27

1.7本論文的研究目的、意義和內容

27-29

第2章材料制備及研究方法

29-36

2.1塊體金屬玻璃的制備

29-30

2.2微觀結構分析測試

30-31

2.2.1熱分析

30

2.2.2X射線衍射分析

30

2.2.3掃描電鏡分析

30-31

2.2.4透射電鏡分析

31

2.3顯微硬度測試

31

2.4準靜態(tài)壓縮實驗

31

2.5動態(tài)壓縮試驗

31-36

2.5.1分離式霍普金森壓桿試驗

32-33

2.5.2二級氫氣炮高速沖擊試驗

33-36

第3章Hf基大塊金屬玻璃的熱穩(wěn)定性與晶化行為研究

36-54

3.1前言

36

3.2非晶形成能力及臨界冷卻速率估算

36-39

3.3等溫退火態(tài)的微觀組織分析

39-45

3.3.1實驗方法

39

3.3.2等溫退火態(tài)的XRD分析

39-41

3.3.3等溫退火態(tài)的TEM分析

41-45

3.4晶化行為分析

45-53

3.4.1晶化過程熱分析

45-52

3.4.2初始晶化行為

52-53

3.4.3晶化過程分析

53

3.5本章小結

53-54

第4章準靜態(tài)下兩種金屬玻璃