基本信息
- 项目名称：
- 块体非晶在压缩和弯曲载荷下的剪切带形核及演变研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文研究BMG合金在不同应力下剪切带的形核和扩展规律。研究表明，剪切带初期新生许多自由体积，导致驰豫过剩自由体积（REFV）增多，过冷液相区最大粘度增大。随塑性应变增大，剪切带相互交割，REFV和粘度急剧减少。在弯曲载荷下，压、拉应力面都有两类剪切带形核。第一类剪切带呈锯齿状形核扩展，且扩展方向随压头方向改变而偏转；第二类剪切带呈直线状扩展，其方向也随压头方向改变而偏转，但彼此相交的角度不变。
- 详细介绍：
- 本文采用塑性良好的Zr63.78Cu14.72Ni10Al10Nb1.5块体非晶为对象，研究其在不同应力状态下剪切带的形核和扩展规律，寻求剪切带的萌生及演变与应力状态、应力大小、作用时间之间的关系，揭示剪切带的形核机理。研究表明，剪切带形成初期，新生许多自由体积，导致驰豫过剩自由体积（REFV）增多，过冷液相区最大粘度增大。塑性应变进一步增大，剪切带相互交割，REFV和粘度急剧减少。在弯曲载荷作用下，压应力面和拉应力面都有两类剪切带形核。第一类剪切带呈锯齿状形核扩展，且扩展方向随压头方向改变而偏转，是受结构和应力共同作用的结果；第二类剪切带呈直线状扩展，其方向也随压头方向改变而偏转，但彼此相交的角度不变，在压应力面和拉应力面分别为81-88°和72°；剪切带的形核扩展只受应力控制，与保压时间无关。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 块体非晶具有优异的力学性能，是新型金属材料的主要发展方向。但其室温下变形只能通过剪切带来实现，一般呈脆性断裂，严重制约了该类新型材料的工程应用。研究块体非晶的变形机理是解决其室温脆性的关键课题。本项目通过研究块体非晶在准静态压缩和弯曲载荷下剪切带的形核和扩展规律，将有助于深入揭示剪切带的形核扩展机理，并进一步控制剪切带的形核及扩展，提高块体非晶的室温塑性。
科学性、先进性及独特之处
- 1.结合热膨胀测试，首次提出以驰豫过剩自由体积（REFV）来定性表征BMG合金变形后的结构信息，并发现剪切带形成初期，伴随新生许多自由体积，导致REFV增多； 2.首次通过不同方向的弯曲试验证实，试样表面有两类剪切带形核扩展，第一类剪切带呈锯齿状扩展，是应力和样品结构共同作用的结果。第二类剪切带笔直扩展，主要受应力控制，这为深刻认识剪切带的形核机理提供有益的参考。
应用价值和现实意义
- 该项目主要针对解决新型金属材料——块体非晶的室温变形机制而提出，通过研究其在不同加载条件下剪切带的形核扩展规律，为揭示块体非晶的变形体制提供有益的参考，为进一步开发利用块体非晶奠定理论基础。
学术论文摘要
- 本文采用塑性良好的Zr63.78Cu14.72Ni10Al10Nb1.5块体非晶为对象，研究其在不同应力状态下剪切带的形成和扩展规律，寻求剪切带的萌生及演变与应力状态、应力大小、作用时间之间的关系，揭示剪切带的形核机理。研究表明，剪切带形成初期，新生许多自由体积，导致驰豫自由体积（REFV）增多，过冷液相区最大粘度增大。塑性应变进一步增大，剪切带相互交割，REFV和粘度急剧减少。在弯曲载荷作用下，压应力面和拉应力面都有两类剪切带形核。第一类剪切带呈锯齿状形核扩展，且扩展方向随压头方向改变而偏转，是受结构和应力共同作用的结果；第二类剪切带呈直线状扩展，其方向也随压头方向改变而偏转，但彼此相交的角度不变，在压应力面和拉应力面分别为81-88°和72°。在压应力面，第一类剪切带优先产生裂纹引起样品最终断裂。在拉应力面，主要是第二类剪切带导致样品断裂。
获奖情况
- [1]谢盛辉, 郑子越, 曾燮榕, 胡强, 符冬菊. 块体非晶的剪切带演变和结构研究. 深圳大学学报理工版, 2010, 27(4), 440-444. (EI收录： 20104913466237) [2]Xie S.H., Zeng X.R., Qian H.X., Hu Q., Zheng Z.Y. Unusual plastic deformability in a Zr-based bulk metallic glass after structural relaxation. Journal of Alloys and Compounds. 2010, 504S: S86-S90. (EI收录：20104113277771) [3]Xie S.H., Li X.H., Zeng X. R. The initiation and evolution of shear bands in a Zr-based BMG upon three-point bending. 已投稿
鉴定结果
- 此项目获得第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛省赛三等奖
参考文献
- 1. C. A. Schuh, T. C. Hufnagel, U. Ramamurty. Mechanical behavior of amorphous alloys. Acta Materialia, 2007, 55(12): 4067-4109 2. J. Eckert, J. Das, S. Pauly, et al. Mechanical properties of bulk metallic glasses and composites. J. Mater. Res. 2007, 22(2): 285–301 3. W. H Wang, C. Dong, C. H. Shek. Bulk metallic glasses. Mater. Sci. Eng. 2004, R44(2-3): 45-89 4. W. L. Johnson. Bulk glass-forming metallic alloys: science and technology. MRS Bull. 1999, 24 (10): 42-56 5. M. F. Ashby, A. L. Greer. Metallic glasses as structural materials. Scr. Mater. 2006, 54(3):321
同类课题研究水平概述
- 块体非晶（BMG）具有不同于传统金属的结构特点，其优异的性能，特别是力学性能使它成为新型金属材料的主要发展方向。但BMG不具有晶态金属的长程有序结构，变形机制与传统晶态材料截然不同。位错的缺失使BMG合金不能通过位错滑移等方式变形，因而具有高强度的同时却缺失有效的韧化机制，在室温下一般呈脆性断裂 。研究BMG合金的变形机理，寻求改善BMG合金室温塑性的途径，是该类新型材料工程应用的关键。 目前普遍被接受的BMG合金变形机制有Argon等提出的shear transformation zone （STZ）理论和Spaepen等提出的自由体积理论两种。STZ理论认为局域原子团簇通过剪切畸变来获得剪切变形，STZ对应某种结构瞬态，是BMG合金变形过程中局域原子在应力作用下的变化行为特征。但STZ不对应某种原子结构形态，也不是某种结构缺陷，故不能表征STZ具有何种结构特征，也无法界定STZ的尺寸及形状，更无法预测STZ会优先在何处启动。自由体积理论以扩散理论为基础，认为BMG合金的变形是通过一系列单原子的跃迁来实现的，当原子通过扩散跃迁至较小的空位时，空位周围的原子膨胀，引起自由体积增多。该理论仅用一个变量来解释BMG合金的变形行为，简单方便，但不能解释为什么BMG合金的变形是受切应力而非正应力控制。BMG合金的变形与应变速率、温度、压力、弹性常数、组织结构等密切相关。这种非均匀变形无法用塑流学状态方程来简单描述。目前其变形过程还无法准确模拟，研究还比较欠缺。但它对BMG合金的强度、韧性、塑性及BMG合金的实际工程应用非常关键。 进一步研究BMG合金的室温变形机制，是寻求解决BMG合金室温脆性的根本途径。而从BMG合金在不同应力状态的的变形特征规律入手，将有助于剪切带形核机理的认知，为寻求改善块体非晶室温塑性的途径提供有价值的探索。本研究结合热膨胀来研究变形前后的结构变化，还通过变压头方向弯曲试验，系统揭示了剪切带在该应力状态下的形核扩展特征，具有较好的创新性。
