鋯基非晶合金在過冷液相區(qū)的熱塑性成形尺寸效應研究.pdf

1、本研究利用差示掃描量熱測試、X射線衍射、原位納米力學測試、金相顯微測量系統(tǒng)、高溫壓縮實驗、雙杯擠壓成形實驗與有限元數(shù)值模擬等多種分析測試手段，系統(tǒng)地研究了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過冷液相區(qū)的熱塑性成形尺寸效應。
　　首先制備具有相同初始自由體積含量的不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金試樣，采用差示掃描量熱法檢測了非晶合金的玻璃態(tài)轉變溫度、起始晶化溫度與孕育時間。通過高溫壓縮實驗，分析了非晶合金在過冷液相

2、區(qū)的熱塑性尺寸效應規(guī)律。實驗結果表明，隨著試樣尺寸增大，非晶合金的穩(wěn)態(tài)流動應力、應力過沖峰值、彈性模量與平衡粘度均逐漸降低，同時過沖峰值應變升高。在較低溫度和較高應變速率的變形條件下，應力過沖現(xiàn)象隨尺寸增大逐漸減弱直至消失，并且材料流變行為由非牛頓流變轉變?yōu)榕ｎD流變。此外，非晶合金的活化體積含量與缺陷濃度均隨尺寸增大而逐漸升高。
　　通過不同尺寸試樣的溫度場數(shù)值模擬實驗與恢復焓值DSC測試，分析了試樣尺寸對于Zr55Cu30Al1

3、0Ni5非晶合金內部結構弛豫行為的影響規(guī)律。結果表明，非晶合金的恢復焓值隨試樣尺寸減小而增大。從而證明，在實際熱塑性成形工藝的預熱過程中，不同尺寸試樣的比表面積差異所帶來的溫度場梯度分布會造成試樣內部的結構弛豫程度不同，從而導致較大尺寸試樣內部的自由體積湮滅量較少。在初始自由體積含量相對一致的情況下，非晶合金試樣尺寸越大，其內部剩余的自由體積含量越高，則較大尺寸試樣的塑性流變應力較低。
　　研究了試樣尺寸對于非晶合金熱塑性流變行為

4、的影響規(guī)律。根據經典粘度理論與自由體積理論分別提出了穩(wěn)態(tài)流動應力、彈性模量、應力過沖峰值與峰值應變四項尺寸效應本構關系因子，并以此構建了Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過冷液相區(qū)內的熱塑性尺寸效應本構關系。對比結果表明，該本構關系可以準確表征非晶合金的熱塑性流變行為的尺寸效應和應力過沖以及非牛頓流變與牛頓流變模式轉變等特征力學現(xiàn)象。
　　深入分析不同尺寸試樣內部的自由體積含量變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)非晶合金的穩(wěn)態(tài)自由體積含量隨試樣尺

5、寸增大，變形溫度升高與應變速率加快而逐漸升高。根據溫度場梯度模型、結構弛豫理論與應力誘導效應，分別提出了非晶合金的飽和自由體積含量、結構弛豫湮滅量與應力誘導生成量的尺寸依賴數(shù)學模型，并以此構建了基于尺寸效應的非晶合金自由體積計算模型。驗證結果表明，該模型可為不同尺寸非晶合金試樣在熱塑性成形過程中的自由體積含量變化提供準確有效的量化分析結果。
　　通過不同尺寸Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金試樣的雙杯擠壓實驗，有限元數(shù)值模擬與

6、納米壓痕力學測試，分析了不同尺寸試樣內部的材料流變行為對其熱塑性成形情況的影響規(guī)律。結果表明，雙杯擠壓試樣的上、下杯高比值隨試樣尺寸增大和變形溫度升高而逐漸降低。其顯微硬度隨試樣尺寸增大而逐漸降低，并且同一試樣上杯圓角底部位置的顯微硬度明顯低于下杯部分。從而印證了不同尺寸雙杯擠壓試樣內部上杯部分的自由體積含量同樣高于下杯部分，并且較大尺寸試樣的平均自由體積含量較高。因此，非晶合金在熱塑性成形過程中的塑性成形能力同樣隨尺寸增大而逐漸提高。

7、
　　綜上所述，Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金在過冷液相區(qū)內呈現(xiàn)出“越大越軟”的熱塑性尺寸效應規(guī)律。在高溫變形條件下，由不同尺寸試樣的比表面積差別所引起的自由體積湮滅量差異是導致非晶合金熱塑性成形的尺寸效應的主要原因之一。實驗結果證實，耦合了本文所構建的熱塑性尺寸效應本構關系與自由體積計算模型的有限元模型能夠有效地預測熱塑性成形過程中的成形載荷、工件幾何形狀、材料流變行為和自由體積含量變化趨勢。上述兩項模型也可以為過冷液相