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新型顆粒增強(qiáng)金屬玻璃復(fù)合材料的拉伸增韌機(jī)制

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2018-06-29  瀏覽次數(shù)：3757
  《新型顆粒增強(qiáng)金屬玻璃復(fù)合材料的拉伸增韌機(jī)制》一文利用有限元方法探究了顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒的應(yīng)變硬化指數(shù)、顆粒的間距以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對新型非晶合金復(fù)合材料即金屬玻璃基復(fù)合材料（MGCs）強(qiáng)度和韌性的影響。上述工作的第一作者是河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院的邱昆，通信作者是南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院姜云鵬教授。


       金屬玻璃是合金熔體在急速冷卻條件下形成的一種新型亞穩(wěn)態(tài)材料。它有帶狀、絲狀和塊體等形式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

       金屬玻璃內(nèi)部原子接近長程無序、短程有序，不存在位錯(cuò)、晶界等缺陷決定了金屬玻璃有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性極限等優(yōu)良性能，但在室溫下它呈現(xiàn)非均勻變形，塑性變形也局限于極窄的剪切帶內(nèi)，限制了它實(shí)際應(yīng)用的范圍。

       作者利用自由體積模型編寫材料子程序，同時(shí)建立代表性體積單元(RVE)模型，最后分析了顆粒對MGCs的影響機(jī)制和顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒應(yīng)變硬化指數(shù)、顆粒的間距、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對MGCs拉伸塑性的影響。

1、計(jì)算模型

1.1金屬玻璃基體本構(gòu)方程

       金屬玻璃的基本變形機(jī)制是剪切帶的形成和演化。剪切帶形成與局部結(jié)構(gòu)次序的演化有關(guān)，它是應(yīng)變軟化導(dǎo)致局部化變形的結(jié)果。為使本構(gòu)關(guān)系具有捕捉剪切帶的能力，自由體積模型引入自由體積作為狀態(tài)變量。該模型假設(shè)在純剪切情況下宏觀塑性流動是凈原子在外加應(yīng)力方向上以躍遷的形式出現(xiàn)。

       金屬玻璃塑性流動方程如下:


       在外加應(yīng)力情況下，應(yīng)力驅(qū)動產(chǎn)生自由體積和結(jié)構(gòu)弛豫湮滅自由體積相互競爭使結(jié)構(gòu)重排。純自由體積增加如下：

 

       在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，自由體積演變方程為：

 

       在上述自由體積模型中，剪切帶演變被看成是內(nèi)部狀態(tài)變量，也就是在方程式中給出的標(biāo)準(zhǔn)自由體積Vf。自由體積場的演變很大程度上依賴于原來的應(yīng)力狀態(tài)和當(dāng)時(shí)的自由體積場。


1.2顆粒的本構(gòu)方程

       顆粒滿足J2塑性流動理論如下：

 

2、有限元計(jì)算模型

       為了用有限元計(jì)算展現(xiàn)復(fù)合材料的微觀機(jī)制，建立一個(gè)代表性體積單元(RVE)模型來描述復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。
圖1：顆粒體積分?jǐn)?shù)為30%的MGCs的RVE模型

       從本質(zhì)上看，MGCs中包含著軟硬不均勻區(qū)域，這些結(jié)構(gòu)的不均勻性將會導(dǎo)致剪切轉(zhuǎn)變區(qū)匯集和隨后剪切帶的形成與擴(kuò)展。

3、結(jié)果討論

3.1不同顆粒體積分?jǐn)?shù)對MGCs的影響

圖2：顆粒體積分?jǐn)?shù)不同的MGCs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

       從圖2可以看出，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的塑性提高但犧牲了部分強(qiáng)度。

 

圖3：顆粒大小相同、顆粒體積含量不同的MGCs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      從圖3可以看出，隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的塑性增加。

圖4：MGCs中顆粒體積分?jǐn)?shù)為12.75% (a)和25.5% (b)時(shí)的剪切帶云圖

       從圖4(b)中可以看出，體積分?jǐn)?shù)為25.5%時(shí)，主剪切帶在穿過顆粒的同時(shí)，也出現(xiàn)繞著顆粒擴(kuò)展，使基體的應(yīng)力下降緩慢，塑性增強(qiáng)，同時(shí)與體積分?jǐn)?shù)為12.75%時(shí)相比，開始出現(xiàn)部分層狀次級剪切帶和剪切帶交割，因此吸收更多變形能，韌性提高。

3.2  不同顆粒間距對MGCs的影響

圖5：MGCs 中不同顆粒間距時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

       通過改變顆粒的大小獲得不同的間距。從圖中可以看出，隨著顆粒間距的減小即顆粒數(shù)的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度變化不明顯，但塑性卻有明顯的增加。

3.3  不同硬化指數(shù)對MGCs的影響

圖6：MGCs中顆粒不同硬化指數(shù)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

       對比硬化指數(shù)N =0.1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖6(a)所示)和硬化指數(shù)N=0.3的應(yīng)力應(yīng)變曲線(如圖6(b)所示)，都有5個(gè)階段出現(xiàn)，而且顆粒體積分?jǐn)?shù)提高最大時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度降低，塑性應(yīng)變增強(qiáng)。

       但是硬化指數(shù)從N=0.1到N=0.3過程中，通過圖6(c)~6(e)可知，都有一個(gè)相同的規(guī)律，即硬化指數(shù)高時(shí)塑性應(yīng)變提高，而且最大應(yīng)力強(qiáng)度提高。

3.4不同微結(jié)構(gòu)對MGCs的影響

       由顆粒的間距變化，聯(lián)想到高體積分?jǐn)?shù)顆粒會排布成類似絲瓜狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者直接在復(fù)合材料中加入這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增韌效果可能更好。

 

圖7：MGCs中顆粒不同結(jié)構(gòu)排列下MGCs的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

       可以看出，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的排列與顆粒豎直排列的結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料的強(qiáng)度不僅得到提高，彈性模量也增加，塑性也得到很大的增強(qiáng)。從圖7(a)~(c)的變化過程中可以看出，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)隨著荷載的增大，幾乎是均勻變形，直到最后自由體積含量達(dá)到飽和，結(jié)構(gòu)遭到破壞。因此彈性比提高，吸收變形能力提高，韌性增強(qiáng)。

4、結(jié)論

       (1)隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高，金屬玻璃復(fù)合材料( MGCs )的塑性增強(qiáng)，但犧牲了部分強(qiáng)度，尤其當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%時(shí)，材料的塑性得到很大的提高。

       (2)隨著顆粒間距的減小，MGCs的強(qiáng)度變化不大，但塑性得到了增強(qiáng)。

       (3)隨著顆粒硬化指數(shù)從0.1增大到0.3，MGCs的塑性和強(qiáng)度都得到提高。主要原因在于高強(qiáng)度顆粒更加有效地阻礙剪切帶的快速擴(kuò)展。

       (4)顆粒結(jié)構(gòu)如果能用同種材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更能引起復(fù)合材料的均勻變形，進(jìn)而增大復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。

特別提示：本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供，真實(shí)性未證實(shí)，僅供參考。請謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)。


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