Zr基金属玻璃高温力学性能及物理机制

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1、学校代码10699分类号o34密级公开学号2013100089题目zr基金属玻璃高温力学性能及物理机制作者姚志锋小学科、专业力学指导教师姚尧申请学位日期⒛17年∞月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：Zr基金属玻璃高温力学性能及物理机制作者：姚志锋学科专业：力学指导教师：姚尧2017年02月Title:HightemperaturemechanicalpropertiesandphysicalmechanismsofZr-basedmetallicglassesByYaoZhifengUndertheSupervisionofP

2、rofessorYaoYaoADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMechanicsXi’anP.R.ChinaFeb.2017摘要摘要金属玻璃具有优良的力学性能，如高强度、高硬度、抗腐蚀性和大的弹性应变等，使其具有很好的潜在应用价值。然而，不同的加载条件和环境作用下，金属玻璃的变形破坏机理等还没有完全认识清楚。本文选取非晶形成能力非常高，具有

3、很宽过冷液相区的高热稳定性Zr40Ti25Cu8Be27和Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12两种Zr基金属玻璃作为模型合金，通过动态力学实验、不同温度下的准静态力学实验和疲劳实验对两种金属玻璃的力学性能进行了研究和评估，主要研究结果如下：（1）采用Zener-Hollomon模型探讨了玻璃转变温度区域附近拉伸作用下Zr40Ti25Cu8Be27金属玻璃薄带塑性均匀变形的本构行为；结果表明，高温拉伸下，金属玻璃薄带表现出良好的超塑性变形行为，Z参数能够很好的表征变形过程中流动应力与温度和应变率之间的关系，通过得到的本构方程

4、求出的表观激活能等物理参量与经典的自由体积模型得到的表观激活能基本一致，表明了Zener-Hollomon模型对金属玻璃的变形是适用的。（2）进行了室温下不同长径比的压缩实验研究。结果表明，长径比对Zr40Ti25Cu8Be27大块金属玻璃的塑性有很大的影响，长径比较小时，塑性显著增加，同时微观断口形貌显示剪切带数量增多间距变小，表明塑性与剪切带的演化密切相关。锯齿流变动力学参数与长径比密切相关，长径比越小，统计的锯齿流变趋向于自组织临界平衡态（SOC），统计的锯齿弹性能密度分布服从幂率分布，反之则向混沌态（Chaotic）发展，弹性能

5、密度呈平方指数衰减分布。剪切带失稳指数可以很好解释长径比对塑性变形的影响；同时金属玻璃服从尺寸效应定律，力学和相关的动力学参量如塑性应变、形状参数β等满足s尺寸效应。（3）低温压缩实验表明，随着温度的降低，锯齿尺寸逐渐变小，持续时间也相应的变小，说明锯齿的形成是与温度密切相关的，是一个弹性能逐渐累积与快速释放的反复过程。液氮温度77K作用下，金属玻璃的强度与塑性共同提高，提高的部分原因是浸泡在液氮中所产生的围压效应。归一化的屈服强度和温度在低温区间满足线性关系，与之前的研究结果一致。（4）对Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al

6、12大块金属玻璃进行了玻璃转变区域及过冷液相区的均匀塑性流变行为进行了实验研究。结果表明，随着温度的降低或应变速率的增大表现出Newtonian流动向非Newtonian流动的转变；理论分析发现，金属玻璃的流变行为可以用经验的KWW模型来描述，同时也可以用基于自由体积模型的过渡态理论来进行定量描述。说明高温均匀塑性流动微观上是一个多原子协同运动过程，宏观上与金属玻璃的粘度有密切关系，粘度的变化与温度和应变率同时相关。（5）采用动态力学分析仪研究了Zr40Ti25Cu8Be27大块金属玻璃的动态弛豫行为，I西北工业大学博士学位论文结果表明

7、其主弛豫(α弛豫)与传统非晶态物质有着类似行为，即非Debye弛豫行为。利用不同的动态弛豫模型定量分析金属玻璃动态弛豫的主曲线，发现除了经验的扩展指数方程（KWW），其它对称的单参数模型均不能很好的描述动态弛豫主曲线。双参数和非对称弛豫模型能够很好的描述动态弛豫行为。对各个模型中的主要参数进行了对比分析，发现KWW模型中的单参数βKWW与其它模型中的双参数具有自关联性质，能够自动调节弛豫行为。最后利用物理意义明晰的准点缺陷（QPD）模型定量的描述了金属玻璃在主弛豫过程汇总的动态力学行为和特征结构弛豫时间与温度之间的关系。关联参数χ能够表

8、征金属玻璃微观结构中的无序度，具有明确的物理意义。（6）对Zr40Ti25Cu8Be27大块金属玻璃进行了三点弯曲疲劳试验。结果表明，与其它体系相比，Zr40Ti25Cu8Be27大块金属玻璃的疲劳极限相对