（固体力学专业论文）ZrBMG和WltfgtZrBMG力学性能的试验研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 大块非晶是一种原子结构呈无序非晶状态的新型合金材料。本文对锆基大块 非晶( z j - - b m g ) 及其钨丝增强复合材料( w g z r - b m g ) 的力学性能进行了系统的试 验研究。主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 对z r - b m g 进行了应变率为3 x 1 0 - 3 s 和2 x 1 0 3 s ，温度从液氮温度7 7 k 到高温4 7 3 k 的动静态压缩试验，得出材料屈服应力受温度和应变率影 响的规律，在z r - b m g 试样的剪切断面上观察到熔化材料流动所形成的 典型脉络网状花样，高温试样形成类似泥浆的流动； ( 2 )对于w g z r - b m g 复合材料，首先研究了渗流温度和钨丝尺寸及含量对 材料性能的影响，发现在7 1 1 k 下渗流1 5 r a i n 得到的钨丝直径m = 2 5 0 1 t m 、 百分含量v f f f i 6 0 的复合材料具有较好的综合性能，并发现随着钨丝含 量的增加，复合材料的强度和塑性不断增大，静态压缩的断裂模式由沿 单一剪切带破坏逐渐转变为伴随有钨丝的屈曲、弯折和倾斜的纵向劈裂 破坏，劈裂裂纹沿钨丝和基体界面以“之”字形方式传播，动态时则为两 种破坏模式的混合。 ( 3 )对w g z r - b m g 复合材料进行的与z r - b m g 相同的温度和应变率敏感性 试验结果表明：复合材料的屈服应力随温度升高而降低，断裂应变则呈 现相反的趋势；材料的流动应力具有明显的正应交率敏感性；复合材料 的剪切断面上，熔化的基体材料流动形成脉络网状花样，并蔓延过钨丝 横截面，高温时基体材料流动比低温更充分。 ( 4 )通过观察复合材料的破坏模式，详细描述了复合材料的变形过程和破坏 机制，以及钨丝的增韧机理，认为钨丝加入限制单条剪切带的传播，有 利于生成多条剪切带，这是复合材料韧性化的主要原因。 ( 5 )从弹性应变能引发绝热温升的角度分析了大块非晶中剪切带的生成机 理，并在此基础上对大块非晶及其钨丝增强复合材料的温度敏感性提出 一种微观解释。 l 西北工业大学硕七学位论文 摘要 关键字：大块非晶复合材料力学性能霍普金森杆温度敏感性剪切带 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b u l km e t a l l i cg l a s s e s ( b m g s ) i sak i n do fn e we m e r g i n gm a t e r i a l sw i t hn o l o n g - r a n go r d e ro fa t o m i ca r r a n g e m e n t s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb o t hz rb a s e d b m g sa n dt h et u n g s t e nf i b e rr e i n f o r c e dm e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e ( w f z r - b m g ) a r cs t u d i e de x p e r i m e n t a l l y f i v ea s p e c t sa r ci n c l u d e d ( 1 ) q u a s i s t a t i c a n dd y n a m i cc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t sa r cp e r f o r m e d0 1 1 z r - b m ga tf o u rt e m p e r a t u r e sf r o m7 7 kt o4 7 3 i ci ts h o w st h a tt h ey i e l d s t r e s si ss e n s i t i v et os t r a i nr a t ea n dt e m p o r a t u r e a nt y p i c a lv e i n - l i k ep a t t e m f o r m e db yt h ef l o wo ft h em e l t e dm a t e r i a li so b s e r v e do nt h es h e a rf r a c t u r e s u r f a c e ，a n da ns l u r r yl i k eo n ei so b s e r v e dw h e nt h et e m p e r a t u r er i s e st o 4 7 3 k ( 2 ) a sf o r w f z r - b m g w ef i r s t l ys t u d i e dt h e i n f l u e n c e s o fi n f i l t r a t i o n t e m p e r a t u r e ，f i b e rd i a m e t e r ( m ) a n dv o h u n ef r a c t i o n ( v f ) t ot h ep r o p e r t i e so f c o m p o s i t e i t i sf o u n dt h a tt h ec o m p o s i t eo b t a i n e du n d e ri n f i l t r a t i o n t e m p e r a t u r eo f7 1 1 kw i t ho = 2 5 0 t t m , v r - 6 0 h a st h eb e s tp e r f o r m a n c e si n g e n e r a l w i t hv fi n c r e a s i n g ，t h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fw 口z r - b m ga r e i n c m a s e da n dt h ef r a c t u r em o d eo fs p e c i m e ni sc h a n g e df r o ms h e a rt o v e r t i c a lc l e a v a g ew i t hf i b e rb u c k l i n ga n ds p l i t t i n g t h i sa x i a lc r a c k i n gr l l n s f r o mf i b e rt of i b e ra l o n gt h ei n t e r f a c ei naz i g z a gp a t h t h em i x e df a i l u r e m o d eo f s h e a ra n dv e r t i c a lc l e a v a g ei sf o u n du n d e rd y n a m i cl o a d i n g ( 3 ) t h es a m es t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d o nw z r - b m gt h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ey i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e sw h i l et h e f a i l u r es t r a i nd e c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h ed y n a m i c c o m p r e s s i o ns h o w st h a t t h e y i e l d s t r e s si s h i g h e rt h a n t h a to ft h e c o r r e s p o n d i n gq u a s i s t a t i cc o m p r e s s i o n v e i n - l i k ep a t t e r i sf o u n da g a i no n t h es h e a r 矗a c t l l r cs u r f a c e s b u tt h em e l t e ds h e a rb a n d sa r em o r ev i s c o u sw h e n m 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p r e s s i o ni sp e r f o r m e da t4 7 3k t h a na t7 7k ( 4 ) t h ed e f o r m a t i o np r o c e s so ft h es p e c i m e ni se l a b o r a t e l yd e s c r i b e da n da n e x p l a n a t i o nf o rt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo f t u n g s t e nf i b e ri sp r o p o s e d ( 5 ) b a s e do nt h ea d i a b a t i ch e a t i n gt h e o r y , t h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo f t e m p e r a t u r es e n s i t i v i 母o nb o t hz r - b m ga n dw f 7 _ x - b m gi se x p l a i n e d k e y w o r d ：m e t a l l i cg l a s s e s ，c o m p o s i t e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h o p k i n s o nb a r , t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , s h e a rb a n d s i v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文上作 的知识产权单位属于西北工业人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内锌编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名蛆指导教师签名 前一龙 。1 年事月，日。川年；月，a 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已中请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做山重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：篮i l l 炒7 年乡月o 日 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 人类自开始使用工具起，就在为寻找“更强”的材料而不懈地努力，随后千万 年的生产实践活动也提出了对耐磨损性，抗腐蚀性，断裂韧性等的要求，在这些 需求的驱动下，人们不断地发现、发明甚至创造新的材料和结构，大块非晶( b m g - s 又名金属玻璃) 就是其中之一。 1 1 大块非晶概述 1 。1 1 非晶态合金的定义和研究发展历程 非晶态合金( a m o r p h o u sa l l o y ) ，是一种原子里长程无序而短程有序的结构排 列的一种合金。与晶态合金相比较，由于其不存在结晶过程，它的原子在三维空 间呈拓扑无序状态排列，不存在晶界、位错和偏析等缺陷，这使得非晶合金材料 具有很多优异的性能，其强度基本接近理论值( 约等于弹性模量的t s o ) 。然而它 又不同于传统的氧化物玻璃，其原子和原子之间不是以共价键，而是以金属键 的形式相连，并在几个晶格常数范围内保持短程有序，形成一种类似原子簇的结 构，这使得非晶合金保留了许多金属材料的属性。 非晶合金首次被发现是在1 9 6 0 年，美国加利福尼亚科学技术研究所的 k l e m e n t , w i l l e n s 和d u w e z 在以1 0 6k s 4 的速率快速冷却a u s i 合金时，发现结晶过 程被抑制，得到一种薄片状的玻璃态金属【l 】。在接下来的二十年间，又陆续发 现了f e 基，p b 基和n i 基的玻璃形成合金体系【2 ，3 】，然而它们形成玻璃态所需 的冷却速率仍然界于t 0 4 到1 0 6 b 1 之间，这样快的冷却速率大大限制了所制得的 非晶态合金试样的尺寸( 一般为薄片和薄带状，厚度不超过5 0 m ) ，也使得研究材 料性能的很多试验无法展开。对带状试样的拉伸试验显示这种材料的强度与理论 值接近，约为弹性模量的1 5 0 【4 】，f e 基和n i 基合金的断裂韧性k i c 在1 0 n 5 0 m p a x m 之间【3 ，5 】，p d - s i 合金的弹性模量被测得为5 0 g p a 【4 】。再加上这种 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 材料所具有的低密度，这些均暗示了非晶合金的优异性能。唯一缺憾的是非晶态 合金在室温条件下表现出脆性断裂的特点，形成局部剪切带，熬体基本不发生塑 性应变【6 ，7 】，降低了材料使用的可靠性。 继1 9 6 9 年c h e n 和t u r n b u l l 发现临界冷却速率为1 0 3k s 。1 的p b 7 8 c u 6 s i l 6 的合 金体系，得到直径2 m m 的棒材之后，美国加利福尼皿科学技术研究所的p e k e r 和j o h n s o n 于1 9 9 3 年发现了临界冷却速率为1k s d 的z r 4 l2 5 t i l 37 5 n i l o c u l 25 b e 2 2 5 合金 8 1 ，制得的试样尺寸达到1 6 m m ，经x 射线衍射试验检验试样内部，并没 有发现晶化现象，实现了大块非晶，许多研究材料力学性能的试验得以进行。本 论文也是以7 - * 4 1 2 5 t i l 3 7 5 n i l o c u l 25 b e z 2 5 和以其为基体的钨丝增强的复合材料为研 究对象的。 对z r 4 1 2 5 t i l 3 7 5 n i l o c u l 2 5 b e 2 2 5 进行的准静态压缩试验，发现其遵从v o n - m i s e s 屈服准则 9 1 和m o h r - c o u l o m b 准则【1 0 ，基本上不发生塑性变形。随后b r u c k 等又通过动静态试验发现该材料力学性能对应变率不敏感【1 0 。z “l2 5 t i l 37 5 n i l o c u l 2 5 b e 2 2 5 的主要力学性能列表如表1 所示【1 1 】。j l u 等研究了温度和应变率 对该材料的影响，发现在低应变率和高温条件下该材料黏性降低，表现出流体特 性，具有高温超塑性的变形能力【1 2 1 。在对材料力学性能的研究过程中，学者 们也提出了许多理论模型来描述大块非晶的变形和断裂特性，将在后文中予以叙 述。 1 1 2 大块非晶的性能和应用【1 3 】 大块非晶具有优异的力学和机械性能，具体包括：非常好的弹性变形能力、 高的屈服强度和断裂韧性、高硬度和高比强度，很好的耐腐蚀性能和耐磨损性能 等。这使得大块非晶材料作为一种工程结构材料在许多方面有望获得重要应用： 例如在军工方面，它可以用于环保型动能穿甲弹，高性能复合装甲，高耐磨表面 硬化和轻量化部件，抗腐蚀部件和电子器件保护套，轻量化和高强度结构部件等。 另外由于大块非晶材料的声阻抗特性及高弹性特性，这类材料还有可能用作复合 装甲的夹层，以配备军方的坦克、战斗机、舰艇或其他装备来提高其防常规武器 攻击的能力美国军方也计划将大块非晶用于m 一1 主战坦克、b f v s 战斗机、a 2 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 一l o 飞机、导弹等军事武器的制造。 表1 1 大块非晶z r 4 12 ，t i l ”5 n i l o c u l 2 扭e 2 25 的力学性能 参数取值 弹性模量 9 6 g p a 剪切模量 3 4 3 g p a 泊松比 0 3 6 拉伸屈服极限 1 9 g p a 断裂应变 2 平面应变断裂韧性k i c 5 5 m p a m l “ 硬度 5 3 4 k g m m l 热膨胀系数 1 0 1x 1 0 6 p c 密度6 1 l g c m j 在民用和商用方面，目前已开发的大块非晶材料的个重要应用是用于制造 高性能的体育用品( 图1 1 ( a ) ) 。打高尔夫球被认为是一种高尚的体育运动，而全世 界生产用来击球的球头每年就有数亿美元的产值。球头的能量传递特性是一个主 要指标，起初用不锈钢来做能够传递约6 0 的能量给球，其余的能量因球头的 形变而被球头吸收，后来改用钛合金能够传递约7 0 的能量给球。z r 基体系的 大块非晶不仅具有高的抗拉强度、好的延展性、高的弹性能、高的冲击断裂性能 和高的抗腐蚀性，且有非常好的能量传递特性，用其制成的球头能够传递9 9 的 能量到球上。正是由于大块非晶特殊的回弹与振动吸收性能，以至于不得不规定 不用z r 基大块非晶制成的高尔夫球头不能用于高尔夫球职业赛。大块非晶用于体 育用品所能提供的高性能主要体现在如下几个方面：强度是其他材料的3 倍，抗 永久变形能力比普通金属高2 3 倍，硬度近于是不锈钢和钛的两倍，弹性是超级 金属的3 4 倍，密度介于钛和钢之间，优异的固有低频振动阻尼，高的耐腐蚀。 因此，大块非晶也将会在滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多 体育项目中得到应用。现在，日本和美国开发的这类产品已经商业化。 3 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 1 ( a ) 大块非晶制成的运动器材能传递9 9 的能量，为国际职业高尔夫球赛规定的球 头选用材料。( b ) 美国宇航局在2 0 0 1 年发射的起源号宇宙飞船上安装了用z r - a i n i - c u 块体大块非晶制成的太阳风搜集器 除上述力学性能外，大块非晶材料还具有许多其它优异的性能特殊应用。例 如美国宇航局在2 0 0 1 年发射的起源号宇宙飞船上安装了用z r _ 一a l n i c u 块体 大块非晶制成的太阳风搜集器( 图1 1 ( b ) ) 。当高能粒子撞击大块非晶盘并进入盘中 时，由于大块非晶中的原子是随机密堆排列，没有晶体结构中存在的通道效应， 因而能够有效地截留住高能粒子。大块非晶搜集器和其他搜集器一起安装在飞船 上，当飞船在磁气圈( 地磁场外) 的外部太阳流中漂浮的时候，撞击在搜集器上的 粒子会因其能量的不同而停留在搜集器的不同深度的位置上，待将来飞船返回地 面后采用酸腐蚀技术一层层地将捕获的离子释放出来。 大块非晶还具有良好的塑性加工和精密压铸能力。在玻璃转变温度和晶化温 度之间的过冷液相区内，大块非晶一般具有超塑性变形能力。例如，一种 三口一a t 一髓非晶合金的过冷液体可轻易达到1 5 0 0 0 的延伸率( 图1 2 ( a ) 1 4 9 ，利 用这一性能，可以对大块非晶合金材料进行各种塑性加工，以及进行微型精密零 件的制造，如p d 。c k 。m l o 民大块非晶在6 1 0 k 下热压可以获得三阶精密微型齿 轮( 图1 2 ( b ) 【1 5 ) 。采用大块非晶粉末，在过冷液相区进行加工，密度非常容易 超过9 0 或更高，形状可多变，是一般材料的粉末冶金技术难以达到的块体大 块非晶所具有的这些优异性能和微观上的均匀性使它成为一种新型的工程材料， 可用于制造微电子一机械系统等的各种微型部件等从生产的角度看，因具有高 4 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 应变速率和超塑性特性，以及易于控制质量和费用低等优点，这就使进行大规模 生产和提高生产量成为可能 (a)(b) 图1 2 ( a ) 一种l a 基非晶合金的过冷液体可达至f 1 5 0 0 0 的延伸率；( b ) 为p d 基大块非晶在 6 1 0 k f 热压可以获得三阶精密微型齿轮 大块非晶材料还具有优良的软磁、硬磁以及低场下较高的磁致伸缩特性。因 优异软磁性能而成为各种变压器、电感器和传感器的理想铁芯材料的大块非晶带 材，正在成为电力、电力电子和电子信息领域不可缺少的重要基础材料，其制造 技术已经相当成熟。日本研制出的铁基块体大块非晶软磁材料的磁导率比硅钢片 材料及传统的晶体结构的磁性材料高1 5 倍，阿尔卑斯山电器公司已在2 0 0 4 年开始 商业化生产。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室也已经制备出直径达1 0 m m 以上的低 磁能损耗的大块铁基软磁合金。尽管目前市场上尚未正式推出块体金属软磁产 品。但很多专家预期，大块非晶软磁合金制品将很快应用于快速发展的高新技术 领域。除了f e 基大块非晶软磁合金以外，人们还合成了c o 基和n d 基大块非晶。 钕基薄带状非晶合金是顺磁的，而形成大块非晶则具有硬磁性，当把它加温晶化 成品态时又没有磁性。这种材料很容易实现玻璃态和晶态之间的相互转化，是具 有特种用途的功能材料。 1 2 大块非晶复合材料 尽管大块非晶表现出了一系列优异的力学性能，如高强度，高断裂韧性，低 弹性模量和高弹性变形能力，但其也有不尽如人意之处：加载超过屈服极限之后， 5 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 大块非晶材料往往沿一条狭窄的剪切带发生突然的脆性断裂，基本不产生宏观塑 性变形，没有应变强化阶段。这一特点大大降低了大块非晶作为工程结构材料使 用的可靠性，限制了其应用范围。 为此，各国的研究学者都致力于发展具有更高韧性的大块非晶复合材料 ( b m g c s ) 。目前所采用的提高韧性的方法主要有两种：一是在大块非晶基体中引 入其它材料，如w 、w c 、s i c 、t a 颗粒( 颗粒尺寸在3 到1 0 0 p m 之间) 和w 丝( 直 径约2 0 0 t t m ) 等，同时避免引起基体材料的晶化，这种复合材料的关键技术是要 保证增强相和基体界面足够牢固。另一种材料增韧的方法是在非晶基体中引入一 定的晶体相，它可以通过两种方式实现，在铸造过程中因材料杂质引起成核形成 晶体，或由于冷却速度不够快而导致结晶。退火玻璃态合金或在玻璃转变温度之 上做功也会致使晶体相的出现。 1 9 8 2 年c y t r o n 利用真空热压的方法合成了超塑性铝增强带状n i 6 舯4 0 的非晶 态复合材料，成为这类材料研究的起点【1 6 1 。之后二十多年的时间里，人们不 断尝试合成和发现具有更优性能的基体和增强相组合，得到一系列的含增强相的 非晶复合材料。a l e n o h a r d 【1 7 1 通过冷却高温非晶态合金在z r 5 7 c u 2 0 a 1 l o n i 8 t i 5 中形成了晶粒尺寸在5 到l o n m z 间的晶体相，发现随着晶体含量的增加，材料的 塑性变形能力呈下降的趋势，当沉淀的晶体尺寸大于剪切带宽度时，脆性断裂由 晶体处发起。w l j o h n s o n 领导的课题组在这一方面做了大量的工作，c c h a y s 【1 8 1 采用原位方法在熔融态的z 玎_ c l 卜n i b e 非晶合金中形成t i z r - n b 的d 相 树枝状结晶，得到包含b c c 晶体结构增强相的复合大块非晶材料。h c h o i y u n 【1 9 在具有较强玻璃形成能力的非晶合金z r - t i - - c u - n i 和z r - t i ( n b 卜a 1 _ c 心n i 中加入难熔陶瓷( w c ) 、延展性金属和短纤维增强相制得的复合材料，最大体积 分数可以达到3 0 ，而不产生晶化现象，并且发现较大的颗粒尺寸更有利于形成 完全的非晶态。 本论文主要研究连续钨丝增强z r 4 12 5 t i l 37 5 n i l o c u l 25 b e 2 2 5 的非晶复合材料 ( w f z r 4 12 5 t i l 37 5 n i l oc u l 25 b e 2 2 5 或w f z r - b m g ) ，该材料由r d a n d l i k e r 和 w l j o h n s o n 等【2 0 】首次制得，他们采用高温渗流技术，将液态的z r 4 1 a s t i t 3 7 5 n i l o c u l 2 5 b e 2 25 基体逐渐渗流到钨丝之间，制备出不同纤维体积百分含量( v f = 1 0 、1 5 、 6 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 、4 0 、6 0 、8 0 ) 的复合材料，对它进行的力学性能试验显示，该材料的强度 和塑性变形能力均比基体材料z r 4 12 5 t i l 3 7 5 n i l o c t l l 2 5 b e 2 2 5 有显著提高，压缩断裂应 变由o 5 增加到最大1 9 ，屈服极限也由纯非晶的1 9 g p a 增加到2 2 g p a ；随着 纤维体积含量的增加，材料的压缩断裂模式发生变化，逐渐由纯非晶时的剪切断 裂向纤维屈曲和材料纵向劈裂过渡 2 1 】；对变形及破坏试样进行显微分析发现 其中出现了多条剪切带，每条剪切带中局部塑性的累加使得材料具有较大的宏观 塑性变形，所以钨丝增韧的机理普遍被认为是钨丝的加入限制单条剪切带的传 播，在钨丝和基体界面处形成应力集中，诱发多条剪切带的生成，使得试样在最 终断裂前能发生较大的塑性变形，提升了材料的韧性【2 l 2 3 】。g w a n g 等1 2 4 研究了应变率对该材料力学性能的影响，应变率范围在l x l 0 4 s 至2 1 0 3 s 之间， 该材料表现出一定的应变率敏感性，拟合出其应变率敏感系数为0 0 2 2 。 钨丝增强弛1 笛t i l 3 7 5 n i j o c u l 2 ，b e 2 2 5 非晶复合材料目前的一个重要应用是做 为动能穿甲弹的弹芯材料。过去，最有效的穿甲弹是用贫铀合金材料制造的。但 是，爆炸后的贫铀弹具有放射性，残留在土壤中对人类健康和生态环境造成了严 重危害。贫铀弹的优势在于其极高的密度而具有的动能，高绝热剪切敏感性和高 的强度。用重金属钨复合大块非晶合金做成的穿甲弹头可以达到很高的密度，强 度和模量，并且由于大块非晶独特的剪切变形机制，使得钨丝增强的非晶复合材 料与一般钨合金材料相比具有独特的自锐化效应，在穿甲过程中避免出现蘑菇状 钝头而优化穿甲性能，可以完全取代贫铀弹头。在未来战争中发挥重要作用【1 3 】。 h a e i nc h o i y i m 2 5 1 和r d c o n n e r 【2 6 】对包括8 0 钨丝增强v i t l 和v r l 0 6 的非 晶复合材料在内的三种大块非晶复合材料( 另有5 0 v 鹪颗粒和5 0 v f 钨铼颗粒 增强复合材料) 进行了实际穿甲试验，结果证实了钨丝增强复合材料的自锐化效 应，穿甲性能优于颗粒增强复合材料以及钨合金。 本论文受西北工业大学科技创新基金项目“高性能非晶合金穿甲弹芯复合材 料优化设计及制造”的资助，与西北工业大学材料学院合作，对其制得的z r 4 x 2 5 i i 1 3 7 s n i l o c u l 2 5 b e 2 2 5 大块非晶合金和钨丝增强的复合材料的力学性能进行了系统 的试验研究，试验温度从液氮温度- - 1 9 6 0 c ( 7 7 k ) 到2 0 0 0 c ( 4 7 3 k ) ，应变率从准静 态3 x 1 0 4 s 至动态l x l 0 3 s 。得到材料在不同温度和应变率加载条件下的应力应变 7 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 曲线以及材料力学性能对温度和应变率的依赖关系，旨在通过变形试样的断面显 微分析，理解钨丝的增韧机制以及材料变形和破坏的微观机理，为设计和制备弹 芯材料提供试验基础和分析依据。 本论文系统地对z r 4 l2 5 t i l 3 7 5 n i l o c u l 25 b e 2 2 5 大块非晶合金及其钨丝增强复合 材料的力学性能进行了试验研究，丰富了该材料的试验数据，创新性地进行了高 温高应变率耦合加载条件下的力学性能测试，目前国内外还未见此方面的研究成 果发表。由于实际穿甲过程伴随有高温高应变率复合加载，使得这一试验结果对 分析真实穿甲过程具有十分重要的意义。本文的另一个创新在于研究了材料的温 度敏感性和应变率敏感性，并从微观的角度对其进行解释，这也是前人工作所没 有涉及到的方面。最后对以非晶合金复合材料为弹芯的穿甲弹进行初步的实测弹 道试验，并与以钨合金为弹芯的穿甲弹进行对比，由目前所得的试验结果来看， 前者在穿甲性能上没有表现出明显的优势，本文对下一步穿甲试验工作提出几点 建议和计划。 8 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大块非晶基本理论 第2 章大块非晶基本理论 2 1 玻璃转变和相变 从热力学的角度来看，晶体处于稳定态，而非晶合金处于亚稳态，对于一定 温度下的过冷液体，将倾向于发生晶体转变，这与期望的非晶转变产生矛盾。然 而热力学仅仅预言了某种转变趋势，具体的转变过程还取决于动力学因素，使得 非晶态合金的获得成为可能。 高温熔融态的合金液在冷却过程中，有两种固化情况可能发生( 如图2 1 ( a ) 和所示【1 3 】) ：1 ) 当冷却速度低时固化过程沿途径i ，液体在凝固点( 熔点) t 。 处转变成晶体，宏观上表现为物质体积和粘性在t 0 突然收缩和突然增大，即图 ( a ) 和图( b ) 中v 和v p ( 1 ) 的不连续；( 2 ) 在足够高的冷却速率下，大多数物质将 改变它们的转变行为，结晶过程被抑制，熔融状态的合金液变成一种“过冷液体”， 温度继续降低，过冷液体的粘性连续不断增大，在一定温度( 定义为玻璃转变温 度附近，仍保持非晶无序排列状态的原子被“冻结”，形成非晶态合金，这一 过程物质体积连续变化，只是在t 。的狭窄区域内v ( 1 ) 曲线斜率发生改变。 另一方面，当从低温向高温加热玻璃态合金时，同样依据加热速率的不同沿 两条途径变为液体和熔融态物质，加热速度慢时沿途径i ，经过玻璃转变温度和 其附近的某个温度t 。之后，开始发生晶化，t x 被称为晶化起始温度，t g 和t x 之间 的区域被称为玻璃转变的过冷液相区，它的宽度是衡量合金体系玻璃形成能力的 重要参数之一。图2 1 ( c ) 为升温过程焓变随温度变化曲线，玻璃态物质在经过过 冷液相区时吸收热量，而在晶化时又放出热量，晶化完全后继续升温的过程则是 使晶化后的固体熔化变成液体或熔体，也是一个吸热的过程。快速升温过程则沿 途径i i 进行，玻璃通过玻璃化转变温度后变成过冷液态，最后变成平衡的熔体或 液体而没有晶化事件的发生。 9 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大块非晶基本理论 图2 1 液体( 熔体) 从高温冷却到室温经历的结晶( ( a ) 和( b ) 中的途径d 或玻璃 转变过程( ( a ) 和( b ) 中的途径i i ) 和从低温将玻璃加热到高温融化或重新转变为液体 ( ( c ) 中的途径i 为经历过晶化过程到达平衡的液相，途径i i 为无晶化过程的转变) 研究发现，影响合金体系玻璃形成能力的参数有两个，除上文提到的过冷液 相区宽度= 正一乙外，再定义约化玻璃转变温度= r r 。根据a i n o u e 提出的准则，较高的约化玻璃转变温度和较宽的过冷液相区能够保证较强的玻璃 形成能力，即得到更大尺寸的非晶试样和更低的临界冷却速率。对于大多数的非 晶合金体系，一般大于0 6 ，而瓦一般大于1 0 0 k 。 2 2z r 基大块非晶合金的微观力学性能 近十几年间，各国学者大块非晶的宏观力学性能已经进行了较为深入细致的 研究，但对其变形机制还没有一个明确、清晰的认识。目前已被大家公认的观点 是：大块非晶的剪切变形与沿最大剪切平面局部材料粘性降低有关，而对于材料 1 0 西北工业大学硕士学位论文第2 章大块非晶基本理论 粘性将低的原因，则有两种观点。一种把剪切带中材料粘性降低的原因归结为自 由体积的形成 2 7 3 1 】，认为它的存在降低了材料的密度和抵抗进一步变形的能 力：另一种观点认为是材料在变形过程中储存的机械能释放，转化成热量使得局 部区域材料温度升高至t 窖甚至t m ，从而降低了这一区域材料的粘性， 2 2 1 微观变形机制之自由体积模型 熔融状态的液体在形成玻璃态的降温过程中，每个原子周围的体积会不断降 低。自由体积定义为一个原子周围相对于理想晶体中一个原子周围体积的过剩部 分，b 温度时，材料中的原子结构被固化和冻结，其内部的自由体积也被确定。 根据s p a e p e n 和t u m b u l l 【2 7 3 l 】，缺陷或者自由体积降低了材料的粘性，导致 了材料的局部流动，即剪切带的形成，并且在变形过程中，自由体积会不断增加， 粘性会继续下降。 s p a e p c n 【2 8 】将大块非晶的变形过程归结为应力导致的新生自由体积和自 由体积的扩散歼灭相竞争的结果。流动被看作是一系列原子向临近体积v 的跳 跃，原子的跳跃需要一定的激活能a g ”，在未加外力的情况下，由热起伏引起 的原子跳跃，向前跳跃的原子个数和向后跳跃的基本相等，当对试样施加剪应力 f 时，彳方向上的自由能障碍降低，从而向前跳跃的原子数目超过了向后跳跃的 值，在宏观上表现为材料流动。当原子在外加应力作用下被挤 入小于其自身体 积的临近空间时，将会导致自由体积的增加。若是在低应力水平和高温下，应力 增加自由体积，一系列的原子扩散跳跃使得发生改变的结构得以松弛，材料在宏 观上表现为均匀流动；然而在高应力水平和低温时，扩散歼灭的自由体积不足以 抵消应力新生的自由体积，剪切带中的自由体积不断累计，最终导致了不均匀流 动的发生。 s p a e p e n 给出了基于自由体积理论的粘性应变率尹的表达式，如式2 1 所示： 烨2 y e d 一钥d 一堡k t j s 劬f 、, 里2 k t ， 其中y 为原子的振动频率，口是一个表示几何因素影响的因子，可，是每个原子的 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大块非晶基本理论 平均自由体积，后是波兹曼常数，t 为绝热温度，根据定义，粘性系数玎可以表 示为； 图2 2s p a e p e n 的自由体积流动过程的示意图 注意到在低应力水平时 o x p n f 垂1e 冲旧 ， s i i l l l f k 里1 * 里 ( 2 3 ) 2 k t ) 2 k t 。7 刁的表达式与f 无关，预示在高温情况下材料将发生牛顿流动。 2 2 2 微观变形机制之绝热剪切理论 绝热剪切理论由l e a m y 、c h e r t 和w a n g 等【3 2 】提出，他们认为断裂面上 呈现的脉络网状花样形貌即是变形区域发生绝热加热的结果。随后“u 等【3 3 】 在对试样进行拉伸试验时，在试样断裂的瞬间探测到有火花出现，并在试样的断 裂表面上发现有凝固了的小液滴。假设拉伸断裂瞬间试样中储存的弹性应变能全 1 2 西北工业大学硕士学位论文第2 章大块非晶基本理论 部释放用于对发生断裂的局部区域加热，他们估算出绝热剪切区域的温升达到 9 0 0 k 。这一猜想在随后由b r u c k 、r o s a k i s 和j o h n s o n 【3 4 】进行的动态压缩试验 中得到进一步验证，他们在其试验( 试样的变形速率比准静态时的应变率高出6 个数量级) 中用离速红外探测仪测试出绝热加热引起的温升约为7 7 5 k 。 2 3 非晶态合金材料的屈服准则 3 5 1 2 3 1v o n m i s e s 准则 1 9 7 2 年l e a m y 、c h e n 和w a n g 报道了带状非晶合金p d 0 s s i o 2 ( 4 0 - - 1 0 0 1 u n 厚) 的拉伸试验结果，他们发现试样沿的断裂方向与加载方向呈4 5 a ：2 0 夹角，说明非 晶态合金沿着最大剪应力的方向断裂。p a m p i l l o 和p o l k 也在f e 7 6 p 1 6 c 4 a 1 3 b l 的拉 伸试验中得到了相同的结论。这些均暗示非晶合金材料的屈服准则复合最大剪应 力准则，即v o n - m i s e s 准则。 b r o c k 等对z r 4 l2 5 t i l 3 n i l oc u l 2 5 b e 2 25 研究发现，其拉伸和压缩屈服应力基 本相等( 分别为1 8 9 士0 0 3 g p a 和2 1 2 - - b 0 0 5 g p a ) ，他们发现试样的尺寸也对试验结 果产生影响，随着试样长径比的降低，材料的屈服应力从1 9 0 g p a 上升到 2 1 2 0 p a 。他们解释为，随着试样长径比的降低，试样内部的应力状态偏离单轴 应力状态，根据v o n - m i s e s 准则，可以得出屈服应力升高的结论，与试验结果相 符。i 弛w l u r a 和m a s u m o t o 在对p d t s c u 6 s i l 6 的试验中也观察到了相同的结论。 2 3 2m o b _ r - c o u l o m b 准则 众所周知v o n - m i s e s 准则是偏应力张量的函数，对静水压力不敏感。1 9 7 5 年d a v i s 和k a v e s h 研究了静水压力( 6 5 0 m p a ) 对非晶合金材料p d 7 7 s c u 6 s i l 6 s 的影 响。他们在拉伸试验中观察到试样沿与加载轴成5 0 0 的方向发生断裂，而在压缩 试验中，这一角度为4 5 0 ；他们同时也观察到材料的拉伸和压缩流动应力均受静 水压力影响，但由于静水压力不应该对试样的剪切带和断裂面的方向产生影响， 所以试样无论在压缩还是拉伸条件下均应该沿4 5 0 方向断裂。他们提出若采用一 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第2 章大块非晶基本理论 种包含法向应力影响的屈服准则，则材料的断裂面会在4 5 0 到5 0 0 之间变化。但 由于作者认为拉伸时5 0 0 的拉伸断裂角可能包含了夹头误差的影响，从而无法断 定到底是静水压力还是法向应力对材料的断裂产生影响。 8 0 年代时，d o n o v a n 也对大块非晶材料屈服准则问题进行了研究，她对 p d 4 0 n h o p 2 0 进行了平面应变单轴压缩试验，发现剪切带沿4 1 9 士1 2 0 的方向传播， 平面应变状态下的屈服应力与平面应力状态下的值之比为1 0 2 ：- - 0 0 5 。这一结果 与两种屈服准则相符，一种是压力修正的t r e s c a 准则，一种是具有法向应力敏感 性的m o h r - c o u l o m b 准则，但显然不满足v o nm i s e sc r i t e r i o n 。d o n o v a n 通过反对 称的四点弯曲试验和单轴压缩试验分别测出材料的剪切屈服强度和压缩屈服强 度，用于m o h r - c o u l o m b 准则计算出剪切断面的倾角与试验值4 1 9 0 十分接近， 从而验证了m o h r - c o u l o m b 准则对描述大块非晶屈服行为的合理性。 m o h r - c o u l o m b 准则由经验而建，考虑了法向应力对材料抗剪切变形能力的 影响，其表达式如下式： f 洲= 一阳( 2 4 ) 其中，f 。为屈服时材料所承受的临界剪应力，k 0 为材料承受纯剪时的屈服应 力，球为法向应力系数，口。为所施加应力垂直与剪切面的法向分量。通过将 f 。和盯 ，表示成所施加应力和剪切面倾角的函数，然后求解( 2 4 ) 式，我们 可以得到最小施加应力下口的解析表达式。 单轴压缩时，与水平方向夹角为的平面上的剪应力 f = o s i n f l c o s f l 其中o r 为所施加的单轴应力，则垂直于该平面的法向应力d o 。为： 假设当f = r c r 。时，即 口删2 0 c o s 2p ( 2 5 ) ( 2 6 ) o s i n p c o s p = 一阳 ( 2 7 ) 时发生屈服，则将盯 ，代a ( 2 7 ) 式，可得 西北工业大学硕士学位论文第2 章大块非晶基本理论 求出盯为 盯s 缸c o s 夕= 一o _ o c o s 2 多( 2 8 ) 叮= 面瓦丽k 0 面 ( 2 9 ) 剪切带将沿着使口取最小的方向发生，所以 由于k o 0 ，故 器= 一k o ( c l o s 2 # 磊- 2 丽( r c o 丽s p s 两i n p 矿- 2 s i n 2 , 8 ) = o ( 2 1 0 )a 归( 口c o s 2 户+ c o s s i n ) 2 、7 c o s 2 一2 0 r c o s # s i n # 一s i n 2 户= 0( 2 1 1 ) 根据定义，口对所有的值均为正，求解并化简得 窿= l c o t 2 p j 所以，法向应力影响因子口是剪切