Zr基大块金属玻璃的流变行为和热塑性变形


       金属玻璃(metallic glasses, MGs),是合金熔体通过快速凝固技术制备的一种新型金属材料。基于快速凝固技术可以有效的抑制晶粒的萌生和扩展,从而使金属玻璃保持了合金熔体无序的原子结构。金属玻璃作为最简单的非晶态物质,是研究非晶态物质的优良模型。由于金属玻璃特殊的原子结构,使其具有一系列诱人的力学、物理和化学性能,如高强度,高硬度,耐磨性,耐腐蚀性以及较小的热膨胀系数等。金属玻璃也和其他的玻璃态物质一样存在玻璃化转变温度(glass transition temperature, Tg),存在过冷液相区(supercooled liquid region, SCLR)。当温度达到SCLR时,MGs的粘滞系数随着温度的升高而急剧下降,表现出较强的流动性能。MGs的这一特性有助于其在热塑性成型(thermoplastic forming, TPF)领域的应用,这为MGs的塑性加工提供了新思路。研究发现,与传统晶体材料相比,由MGs制成的微细零部件具有尺寸精度高,表面质量好,制备效率高,成本低的优点。MGs被认为是理想的微成型材料。MGs在SCLR的粘滞流变行为受到许多外界因素的影响,研究MGs在SCLR粘滞流变行为的影响因素有助于为MGs的热塑性成型加工工艺提供理论指导。


       “The Rheological Behavior and Thermoplastic Deformation of Zr-based Bulk Metallic Glasses” 一文将不同的工艺结合起来,从流动应力、应变速率敏感指数和粘滞系数等方面,系统的的研究了温度和应变速率两个主要因素对MGs在SCLR的粘滞流变行为的影响。除此之外,作者还结合能量耗散理论和流变失稳机理绘制了Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金的能量耗散图和流变失稳图,为Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金的热加工工艺制定提供了一定的理论指导。该文的通讯作者为兰州理工大学材料科学与工程学院李春燕副教授,该文近期发表在Journal of Non-Crystalline Solids期刊上。

       本文通过高温压缩试验研究了Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金在SCLR中的粘滞流变行为和热塑性变形过程,并构建了能量耗散图和流变失稳图。结果表明,该合金在SCLR中的流动应力对温度和应变速率非常敏感。流动应力随温度的升高或者应变速率的降低而降低。该合金的粘滞系数的变化范围为1011Pa.s至109Pa.s,并且随着温度和应变速率的增加而降低。当应变速率大于5×10-3s-1时,Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金表现出由牛顿流体转变为非牛顿流体的过程。另一方面,作者还结合能量耗散理论和流变失稳判据总结出Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金的最佳热加工区域为688K~708K的低应变速率区和708K~723K的高应变速率区。



图1:Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金在708K不同应变速率下的真应力-真应变曲线



图2:应变速率(a)和温度(b)对Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金粘滞系数的影响



图3:Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金高温压缩的后的SEM结果(a)和有限元模拟结果(b)


图4:Zr61.88Cu18Ni10.12Al10合金的能量耗散图(a)和流变失稳图(b)


      本研究由国家自然科学基金(No:51661016, 51571105, 51551101, 51661017, 51661015)、温州市公益性科技项目(G20170019)和甘肃省自然科学基金资助(No:145RJZA090,1606RJZA050)

       论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.04.026




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