金屬玻璃獨特的非晶結構使其具有許多優(yōu)異的力學、物理性能,因而在裝甲防護領域擁有廣闊的應用前景。為滿足這類應用的需求,需要加深對其動態(tài)力學性能以及損傷演化規(guī)律的認識。本研究通過先進的實驗測試、表征手段,結合理論分析和有限元模擬方法,構建了一個耦合非晶塑性和動態(tài)孔洞擴展理論的本構模型,實現(xiàn)了對強動載三軸應力狀態(tài)下金屬玻璃的“韌脆轉變”行為的模擬,揭示了不同沖擊壓力下層裂損傷演化模式的轉變機制。主要研究內容和結論如下:（1）實驗研究基于一級輕氣炮開展平板撞擊實驗,研究金屬玻璃及其復合材料的動態(tài)力學行為和層裂損傷演化。實驗過程中使用激光干涉儀對材料的宏觀力學響應進行原位實時監(jiān)測,并結合掃描電鏡、電子背散射衍射、X射線斷層掃描等多種表征手段對回收樣品進行微細觀尺度的分析,并通過進一步的統(tǒng)計分析獲取杯錐結構的圓錐角、頂點間距、朝向等特征參量,為分析不同沖擊壓力下的“韌脆轉變”行為提供了有力支持。針對復合材料的研究表明:雖然復合材料的層裂強度低于純金屬玻璃,但其損傷演化速率和終態(tài)損傷程度也小于純金屬玻璃。這源自于脆性非晶基體中的韌性晶體顆粒具有的雙重作用,顆粒既作為損傷成核源,降低層裂強度;也通過自... 

【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：167 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

金屬玻璃復合材料準靜態(tài)加載下的力學性能[10]。

針對前文提到的Ta顆粒增強金屬玻璃基復合材料,Ott、Hufnagel等[26]使用X射線原位探測研究其在準靜態(tài)壓縮加載下的應力-晶格應變關系,發(fā)現(xiàn)當加載應力為325MPa左右時,顆粒發(fā)生屈服并將載荷轉移到周圍的非晶基體,顆粒周圍應力水平顯著低于遠處應力場。由于具有較高的屈服強度,基體依然保持彈性。Ott等認為該加載過程中基體與顆粒間的塑性應變失配所帶來的應力集中是材料內部萌生多重剪切帶的原因。相比于純金屬玻璃中的少數主剪切帶,復合材料中的多重剪切帶對能量耗散有極大貢獻,從而起到提高宏觀塑性、延緩災難性斷裂的作用。同時,Ott等基于SEM掃描結果建立二維有限元模擬網格,模擬結果表明材料整體的屈服強度會隨著顆粒屈服強度的增加而增加。Hardin等[24]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)當增強顆粒具有較高屈服強度時,單獨增加顆粒體積百分比并不能有效促進塑性變形。而過低的顆粒屈服強度又會降低材料整體的屈服應力,與Ott等的研究結果相似。而在非晶-晶體層合材料中,由于非晶相的強度一般大于復合的晶體相,若根據復合材料的硬度混合律,材料整體強度將隨非晶體積百分數增加而增加。

另一個關鍵問題是,晶體和非晶的微觀變形機制在界面處是如何過渡的,或者說其中一種變形在界面處是如何激活另一種變形模式的。Zhou、楊衛(wèi)等[23]認為,非晶基體中的剪切帶是通過非晶-晶體界面處的晶格位錯和相鄰非晶基體中的不連續(xù)剪切的協(xié)同作用與顆粒增強相發(fā)生作用的,同時在其模擬結果中觀察到顆粒周圍局部剪切帶的偏轉、分叉和抑制現(xiàn)象。Pan等[30]使用MD方法模擬了一種晶體間的非晶帶,結果顯示在非晶—晶體界面處的原子可通過漩渦形流動有效吸收位錯變形(圖1-4(a)),直到該變形區(qū)延伸至非晶帶另一側裂紋才最終成核,且相比于晶體間通過晶界連接的情況,非晶帶內萌生的裂紋擴展速度更慢,因此可將非晶界面層作為微觀增韌結構提高材料塑性變形能力。也有研究認為[31]界面處的剪切轉變區(qū)(Shear Transformation Zone,STZ)活動可以減少晶體內的位錯激活能,使顆粒更容易發(fā)生塑性變形;當顆粒內滑移擴展到另一側界面時,又能激活新的STZ,從而吸收位錯能,并在周圍顆粒內再次激活新的位錯(圖1-4(b)),與Pan的研究結果相似。1.3.1.2預制槽口


本文編號：2934608