Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金高温高应变速率流变行为研究

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非晶合金由于其内部没有位错、晶界等缺陷而具有高的强度、硬度、弹性极限等优点,广泛应用于航天军工、体育用品、医疗器械等方面。目前,人们已经开发出多个具有较强玻璃形成能力的非晶合金体系,并对其在常温下的力学、化学性能进行了广泛探索。但是对非晶合金在过冷液相区内较高温度区间和较高应变速率压缩条件下的塑性成形性能及其流变规律还尚不明确。因此本文选择Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金作为研究对象,系统地展开了以下研究。首先通过感应电炉和急冷铜模制备成分为Zr35Ti30Cu8.25Be26.75的非晶合金试样,通过X射线衍射仪(XRD-7000)对试样进行检测,确保试样结构为完全非晶态。采用差示扫描量热法确定了Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金的玻璃转变温度、晶化温度和过冷液相区宽度。利用差示扫描量热仪对试样进行等温晶化试验,获得Zr基非晶合金的晶化规律,发现试样在673 K及以下温度保温时,晶化孕育时间均大于20 min;当温度大于673 K时,晶化孕育时间急剧缩短;温度为713 K时,晶化孕育时间缩短至5.5 min。基于温度和晶化孕育时间,建立了材料的热激活晶化时间曲线(TTT曲线)。其次为了研究锆基非晶合金在过冷液相区内较高温度区间和较高应变速率变形条件下的流变行为,采用Zwick/Roell(Zwick Z020)力学性能试验机对Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金进行了高温(1.2Tg)高速(100 s-1)压缩实验。结果表明:Zr35Ti30Cu8.25Be26.75非晶合金的流变行为具有较强的温度和应变速率敏感性,即其流变应力随着温度的降低和应变速率的升高而增大,同时其变形机制由平衡态牛顿流变转变为非平衡态的非牛顿流变。同时发现非晶合金的应变速率敏感系数随应变速率的增大先减小(最小为0.06)后增加(至0.70),表明其超塑性能力随应变速率的增大先消失后恢复。分析认为其主要原因为应变速率越大非晶内部自由体积的生成速率越大,但自由体积的湮灭速率较为稳定,因此随着应变速率的增加,非晶内部剩余自由体积含量先减小后增加。差示扫描量热分析(Perkin-Elmer,DSC-7)和透射电镜(TEM,TECNAI)结果表明非晶合金的自由体积变化趋势与应变速率敏感系数变化一致。随后为了准确表征温度和应变速率对非晶合金流变应力的影响,进行了非晶合金高温高速压缩变形过程的本构建模,对比试验数据和模型预测数据发现虚应力模型拟合结果偏差较大,误差大于50%。因此开展了Maxwell-Pulse本构模型在高温高应变速率压缩下的拟合,结果表明Maxwell-Pulse本构模型预测值与实验值一致性好,准确率在90%以上,另外Maxwell-Pulse本构模型不仅能够同时描述非晶合金的牛顿流变和非牛顿流变现象,也能准确地反映非晶合金在高温高速变形条件下的应力-应变关系,说明Maxwell-Pulse本构模型在非晶合金高温高速下的适用性更好。最后通过双杯挤压实验和DEFORM-2D有限元模拟对前文得到的流变规律和本构模型进行了验证,有限元预测的上、下杯的高度与实际实验获得的上、下杯高度几乎一致,同时模型计算得到的载荷-位移曲线与实际的载荷-位移曲线重复性好,证明所建本构模型的准确性,同时上、下杯高度的比值随应变速率的增加先增大后减小,与之前得到的非晶合金的塑性随应变速率的增大先减小后增大这一规律一致,验证了前文所得非晶合金流变规律的准确性。
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