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基本信息

項目名稱：
塊體非晶在壓縮和彎曲載荷下的剪切帶形核及演變研究
小類：
能源化工
簡介：
本文研究BMG合金在不同應(yīng)力下剪切帶的形核和擴(kuò)展規(guī)律。研究表明，剪切帶初期新生許多自由體積，導(dǎo)致馳豫過剩自由體積（REFV）增多，過冷液相區(qū)最大粘度增大。隨塑性應(yīng)變增大，剪切帶相互交割，REFV和粘度急劇減少。在彎曲載荷下，壓、拉應(yīng)力面都有兩類剪切帶形核。第一類剪切帶呈鋸齒狀形核擴(kuò)展，且擴(kuò)展方向隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)；第二類剪切帶呈直線狀擴(kuò)展，其方向也隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)，但彼此相交的角度不變。
詳細(xì)介紹：
本文采用塑性良好的Zr63.78Cu14.72Ni10Al10Nb1.5塊體非晶為對象，研究其在不同應(yīng)力狀態(tài)下剪切帶的形核和擴(kuò)展規(guī)律，尋求剪切帶的萌生及演變與應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小、作用時間之間的關(guān)系，揭示剪切帶的形核機(jī)理。研究表明，剪切帶形成初期，新生許多自由體積，導(dǎo)致馳豫過剩自由體積（REFV）增多，過冷液相區(qū)最大粘度增大。塑性應(yīng)變進(jìn)一步增大，剪切帶相互交割，REFV和粘度急劇減少。在彎曲載荷作用下，壓應(yīng)力面和拉應(yīng)力面都有兩類剪切帶形核。第一類剪切帶呈鋸齒狀形核擴(kuò)展，且擴(kuò)展方向隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)，是受結(jié)構(gòu)和應(yīng)力共同作用的結(jié)果；第二類剪切帶呈直線狀擴(kuò)展，其方向也隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)，但彼此相交的角度不變，在壓應(yīng)力面和拉應(yīng)力面分別為81-88°和72°；剪切帶的形核擴(kuò)展只受應(yīng)力控制，與保壓時間無關(guān)。

作品圖片

  • 塊體非晶在壓縮和彎曲載荷下的剪切帶形核及演變研究
  • 塊體非晶在壓縮和彎曲載荷下的剪切帶形核及演變研究
  • 塊體非晶在壓縮和彎曲載荷下的剪切帶形核及演變研究
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

塊體非晶具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是新型金屬材料的主要發(fā)展方向。但其室溫下變形只能通過剪切帶來實現(xiàn)，一般呈脆性斷裂，嚴(yán)重制約了該類新型材料的工程應(yīng)用。研究塊體非晶的變形機(jī)理是解決其室溫脆性的關(guān)鍵課題。本項目通過研究塊體非晶在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和彎曲載荷下剪切帶的形核和擴(kuò)展規(guī)律，將有助于深入揭示剪切帶的形核擴(kuò)展機(jī)理，并進(jìn)一步控制剪切帶的形核及擴(kuò)展，提高塊體非晶的室溫塑性。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

1.結(jié)合熱膨脹測試，首次提出以馳豫過剩自由體積（REFV）來定性表征BMG合金變形后的結(jié)構(gòu)信息，并發(fā)現(xiàn)剪切帶形成初期，伴隨新生許多自由體積，導(dǎo)致REFV增多； 2.首次通過不同方向的彎曲試驗證實，試樣表面有兩類剪切帶形核擴(kuò)展，第一類剪切帶呈鋸齒狀擴(kuò)展，是應(yīng)力和樣品結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。第二類剪切帶筆直擴(kuò)展，主要受應(yīng)力控制，這為深刻認(rèn)識剪切帶的形核機(jī)理提供有益的參考。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

該項目主要針對解決新型金屬材料——塊體非晶的室溫變形機(jī)制而提出，通過研究其在不同加載條件下剪切帶的形核擴(kuò)展規(guī)律，為揭示塊體非晶的變形體制提供有益的參考，為進(jìn)一步開發(fā)利用塊體非晶奠定理論基礎(chǔ)。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文采用塑性良好的Zr63.78Cu14.72Ni10Al10Nb1.5塊體非晶為對象，研究其在不同應(yīng)力狀態(tài)下剪切帶的形成和擴(kuò)展規(guī)律，尋求剪切帶的萌生及演變與應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小、作用時間之間的關(guān)系，揭示剪切帶的形核機(jī)理。研究表明，剪切帶形成初期，新生許多自由體積，導(dǎo)致馳豫自由體積（REFV）增多，過冷液相區(qū)最大粘度增大。塑性應(yīng)變進(jìn)一步增大，剪切帶相互交割，REFV和粘度急劇減少。在彎曲載荷作用下，壓應(yīng)力面和拉應(yīng)力面都有兩類剪切帶形核。第一類剪切帶呈鋸齒狀形核擴(kuò)展，且擴(kuò)展方向隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)，是受結(jié)構(gòu)和應(yīng)力共同作用的結(jié)果；第二類剪切帶呈直線狀擴(kuò)展，其方向也隨壓頭方向改變而偏轉(zhuǎn)，但彼此相交的角度不變，在壓應(yīng)力面和拉應(yīng)力面分別為81-88°和72°。在壓應(yīng)力面，第一類剪切帶優(yōu)先產(chǎn)生裂紋引起樣品最終斷裂。在拉應(yīng)力面，主要是第二類剪切帶導(dǎo)致樣品斷裂。

獲獎情況

[1]謝盛輝, 鄭子越, 曾燮榕, 胡強(qiáng), 符冬菊. 塊體非晶的剪切帶演變和結(jié)構(gòu)研究. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版, 2010, 27(4), 440-444. (EI收錄： 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收錄：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

鑒定結(jié)果

此項目獲得第十一屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽省賽三等獎

參考文獻(xiàn)

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

同類課題研究水平概述

塊體非晶（BMG）具有不同于傳統(tǒng)金屬的結(jié)構(gòu)特點，其優(yōu)異的性能，特別是力學(xué)性能使它成為新型金屬材料的主要發(fā)展方向。但BMG不具有晶態(tài)金屬的長程有序結(jié)構(gòu)，變形機(jī)制與傳統(tǒng)晶態(tài)材料截然不同。位錯的缺失使BMG合金不能通過位錯滑移等方式變形，因而具有高強(qiáng)度的同時卻缺失有效的韌化機(jī)制，在室溫下一般呈脆性斷裂 。研究BMG合金的變形機(jī)理，尋求改善BMG合金室溫塑性的途徑，是該類新型材料工程應(yīng)用的關(guān)鍵。 目前普遍被接受的BMG合金變形機(jī)制有Argon等提出的shear transformation zone （STZ）理論和Spaepen等提出的自由體積理論兩種。STZ理論認(rèn)為局域原子團(tuán)簇通過剪切畸變來獲得剪切變形，STZ對應(yīng)某種結(jié)構(gòu)瞬態(tài)，是BMG合金變形過程中局域原子在應(yīng)力作用下的變化行為特征。但STZ不對應(yīng)某種原子結(jié)構(gòu)形態(tài)，也不是某種結(jié)構(gòu)缺陷，故不能表征STZ具有何種結(jié)構(gòu)特征，也無法界定STZ的尺寸及形狀，更無法預(yù)測STZ會優(yōu)先在何處啟動。自由體積理論以擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為BMG合金的變形是通過一系列單原子的躍遷來實現(xiàn)的，當(dāng)原子通過擴(kuò)散躍遷至較小的空位時，空位周圍的原子膨脹，引起自由體積增多。該理論僅用一個變量來解釋BMG合金的變形行為，簡單方便，但不能解釋為什么BMG合金的變形是受切應(yīng)力而非正應(yīng)力控制。BMG合金的變形與應(yīng)變速率、溫度、壓力、彈性常數(shù)、組織結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。這種非均勻變形無法用塑流學(xué)狀態(tài)方程來簡單描述。目前其變形過程還無法準(zhǔn)確模擬，研究還比較欠缺。但它對BMG合金的強(qiáng)度、韌性、塑性及BMG合金的實際工程應(yīng)用非常關(guān)鍵。 進(jìn)一步研究BMG合金的室溫變形機(jī)制，是尋求解決BMG合金室溫脆性的根本途徑。而從BMG合金在不同應(yīng)力狀態(tài)的的變形特征規(guī)律入手，將有助于剪切帶形核機(jī)理的認(rèn)知，為尋求改善塊體非晶室溫塑性的途徑提供有價值的探索。本研究結(jié)合熱膨脹來研究變形前后的結(jié)構(gòu)變化，還通過變壓頭方向彎曲試驗，系統(tǒng)揭示了剪切帶在該應(yīng)力狀態(tài)下的形核擴(kuò)展特征，具有較好的創(chuàng)新性。
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