內生非晶複合材料室溫拉伸加工硬化和軟化機理的研究

《內生非晶複合材料室溫拉伸加工硬化和軟化機理的研究》是依託太原理工大學，由喬珺威擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：內生非晶複合材料室溫拉伸加工硬化和軟化機理的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：喬珺威
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

非晶複合材料由於在室溫下可以發生巨觀塑性變形而有望作為未來的新型高強結構工程材料。內生枝晶增韌的非晶複合材料在室溫承載時表現為：在壓縮條件下屈服後加工硬化主導直到發生斷裂失效；而在拉伸時，屈服後發生少量加工硬化，其後軟化主宰直到發生斷裂失效，拉伸和壓縮力學行為不對稱。枝晶內部及兩相界面處嚴重的晶格畸變、局域的非晶化以及界面處大量的位錯塞積共同構成了壓縮條件下的變形微觀機理。然而，室溫拉伸變形的微觀機制尚不明了。我們知道，材料處於拉伸時在模式Ⅰ下發生斷裂失效，只有屈服後能發生均勻變形也即出現加工硬化的材料才可能作為結構工程套用。本研究將探討內生非晶複合材料在室溫拉伸時加工硬化和軟化的機理，通過高分辨和高能同步輻射來區分加工硬化和軟化的形變結構特徵，建立兩相複合材料拉伸塑性變形過程中的本構方程，最終得出發生加工硬化的前提條件，為開發具有均勻變形能力的內生非晶複合材料提供理論依據。

結題摘要

由於非晶合金其獨特的內部結構，使其具有非常好的力學性能，其斷裂強度幾乎接近完美晶體的理論斷裂強度，因此非晶合金剛被人們發現就引起了研究者們強烈的興趣，一直以來非晶合金被認為是最具潛力的工程套用材料。單相非晶合金雖然具有很高的強度、硬度以及大的彈性極限，但是有一個致命弱點就是室溫脆性，這一弱點限制了非晶合金的廣泛工程套用。本項目研究中通過向非晶合金中引入第二相形成非晶複合材料，明顯改善了材料的塑性，在此基礎上對複合材料的拉伸變形機理進行了深入探討。 本研究中製備得到的非晶複合材料含有體積分數為41%的樹枝晶，樹枝晶尺寸大約為0.8-1.2 μm，這種材料不僅具有較高的拉伸強度，大約為1650 MPa，在室溫下還具有了一定的塑性，室溫應變大約為2.5%。但是該種材料拉伸時屈服後立即軟化，沒有加工硬化的現象出現，所以該非晶複合材料的變形行為簡單分為兩個變形過程來討論：（1）彈性變形和（2）軟化階段。每個階段都用了數學公式去描述。在過冷液相去（613K），非晶複合材料拉伸時沒有發生像單相非晶合金那樣的超塑性均勻流變。在過冷液相區拉伸時，非晶複合材料的力學性能受應變速率的影響，當應變速率從1 × 10-2/s降低到1 × 10-3/s時，屈服強度從1390 MPa降低到960 MPa，但是塑性幾乎增加了一倍。 對於拉伸變形機理研究，選用了塑性較大的非晶複合材料，其拉伸塑性和強度分別達到7.6%和1510 MPa。基於五個變形階段：（1）彈性-彈性變形階段，（2）彈性-塑性變形階段，（3）塑性-塑性（屈服平台）階段，（4）塑性-塑性（加工硬化）階段，（5）塑性-塑性（軟化）階段，建立起了一種非晶複合材料變形本構模型。每個階段都進行了詳細的理論描述，闡明了非晶複合材料的變形機理。此外，還利用了有限元模擬軟體對該模型進行了驗算，實驗、計算和模擬結果三者非常吻合。 晶體第二相能明顯改善材料塑性，但是第二相樹枝晶的尺寸影響尚不清楚。本研究中製備了三種含不同樹枝晶尺寸的非晶複合材料，拉伸實驗結果表明不同的樹枝晶尺寸將導致不同的力學性能，樹枝晶尺寸與材料塑性的關係可以用拋物線來描述。將材料變形分為三個階段，從樹枝晶中位錯及玻璃基底中剪下帶的產生及演變出發，詳細闡述了樹枝晶尺寸與非晶複合材料塑性的關係。