金屬玻璃變形與斷裂行為的尺寸效應研究

《金屬玻璃變形與斷裂行為的尺寸效應研究》是依託遼寧工業大學，由伍復發擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬玻璃變形與斷裂行為的尺寸效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：伍復發
• 依託單位：遼寧工業大學

項目摘要

以鋯、銅、鈦基等多種金屬玻璃為研究對象，通過機械方法改變試樣的絕對幾何尺寸，對試樣進行拉伸、壓縮、彎曲等傳統試驗和小衝壓及限制壓痕等新型試驗，主要研究：（1）通過機械方式改變金屬玻璃試樣的尺寸，對試樣進行拉伸、壓縮、彎曲、小衝壓和限制壓痕試驗，觀察其剪下帶萌生、穩定擴展和斷裂的過程，比較不同金屬玻璃材料的剪下變形能力和斷裂行為，研究金屬玻璃的剪下變形能力和斷裂行為與材料幾何尺寸之間的依賴關係，確定所研究的金屬玻璃發生穩定剪下變形的臨界尺寸；（2）通過機械方式和雷射處理改變試樣的表面狀態，研究表面狀態對金屬玻璃剪下帶的萌生與擴展的影響，探索表面狀態對金屬玻璃力學行為的尺寸效應的影響。通過對金屬玻璃力學性能的尺寸效應研究，可以更深刻地揭示金屬玻璃剪下變形和斷裂行為的物理機制，研究結果可為發展具有優越力學性能的金屬玻璃材料提供理論依據，因此本項目的研究具有重要的科學和現實意義。

結題摘要

研究了試樣尺寸對金屬玻璃壓縮變形與斷裂行為的影響。通過減小試樣尺寸，韌性金屬玻璃的壓縮塑性變形量得到了顯著提高。尤其是小尺寸的Zr50.7Cu28Ni9Al12.3和Zr52.5Ni4.6Al10Cu17.9Ti5試樣可壓縮成圓餅狀而無明顯開裂現象。揭示了韌性金屬玻璃本質上具有良好的塑性變形能力。而Fe57.6Co14.4B19.2Si4.8Nb4和Mg65Cu7.5Ni7.5Zn5Ag5Y10等脆性金屬玻璃在壓縮變形時則同時發生破碎和剪下斷裂。對於大尺寸的脆性金屬玻璃，破碎斷裂占主要地位，剪下斷裂特徵被破碎斷裂所掩蓋。而對於小尺寸的脆性金屬玻璃試樣，剪下斷裂占主要地位，但破碎斷裂方式仍然存在。由於彈性能在剪下斷口上的瞬間釋放，可以在Zr基和Ti基等金屬玻璃的斷裂瞬間觀察到劇烈的發光現象。而對於Fe基和Mg基等金屬玻璃，由於彈性能幾乎都消耗在破碎斷裂過程中，這是一種低能量密度的斷裂方式，因而幾乎觀察不到發光現象。金屬玻璃的剪下穩定性受到尺寸的顯著影響：減小尺寸可以顯著降低剪下帶消耗彈性能的密度，進而提高金屬玻璃的剪下穩定性。這種現象可以從彈性能角度來分析，即剪下帶消耗彈性能的密度。發現金屬玻璃剪下帶消耗彈性能的密度強烈依賴於試樣尺寸，減小試樣尺寸可以顯著提高金屬玻璃材料的剪下穩定性。同時，剪下帶消耗彈性能的密度理論也可以很好地解釋試樣尺寸導致的金屬玻璃的韌性轉變。這些結果的發現對於提高金屬玻璃的剪下穩定性和理解金屬玻璃的韌脆性斷裂的本質具有重要現實意義。 研究了Ti基金屬玻璃在衝壓載荷下受約束條件時的變形與斷裂行為，並研究了Zr基金屬玻璃在衝壓載荷下的尺寸效應。通過對Ti基金屬玻璃衝壓試樣的下表面施加約束，Ti基金屬玻璃表現出良好的變形能力，比無約束狀態的變形能力顯著提高。實驗結果表明Ti基金屬玻璃的變形與斷裂強烈依賴於其所受的應力狀態。在衝壓試樣的下表面觀察到了徑向、周向和螺旋形的剪下帶及與剪下帶相對應的剪下裂紋。徑向和周向剪下帶和剪下裂紋與雙向拉-拉應力一致，而螺旋形剪下帶和裂紋與雙向拉-壓應力狀態相吻合。通過對下表面施加不同強度的約束，發現控制剪下裂紋的萌生或擴展均可以穩定Ti基金屬玻璃的塑性變形，延遲剪下裂紋擴展到臨界尺寸，可以在金屬玻璃試樣上形成豐富的多重剪下帶。通過減小衝壓試樣的厚度，發現衝壓塑性變形能力顯著減弱，即臨界剪下台階減小，剪下帶密度明顯減小