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块体非晶合金及其复合材料的力学性能

作　者: 李乡安
导　师: 龙志林；张平
学　校: 湘潭大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 块体非晶合金 有限单元法 纳米压痕 均匀化方法 屈服准则
分类号: TG139.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


块体非晶合金由于其优异的力学性能受到了人们广泛关注,是一种极具应用前景的结构材料,但其在室温单轴拉伸或压缩情况下没有经过明显的塑性变形而突然发生失效。为了扩展块体非晶合金的应用范围,人们开始研究把延展性好的材料作为增强相加入到块体非晶合金中,从而得到块体非晶合金复合材料(BAAMCs)。本文借助于纳米压痕技术测试了Fe-Co-B-Si-Nb-Cr块体非晶合金的微观力学性能,并结合有限单元方法,对其变形行为进行了研究;利用均匀化方法推导了求块体非晶复合材料等效弹性参数的三维有限元格式;研究了钨纤维增强Zr基块体非晶合金复合材料的残余热应力分布。主要的结果和结论如下:(1)在所研究的加载速率范围内,{[(Fe 0.6 Co 0.4 ) 0.75 B 0.2 Si 0.05 ] 0.96 Nb 0.04 } 96 Cr 4块体非晶合金在塑形变形过程中出现了显著的锯齿流变和室温蠕变现象;随加载速率的增大,输入非晶样品的总能量及塑性变形能与输入样品的总能量的比值增大,而非晶样品的硬度值和储存的弹性能减小;利用有限单元法,确定了{[(Fe 0.6 Co 0.4 ) 0.75 B 0.2 Si 0.05 ] 0.96 Nb 0.04 } 96 Cr 4块体非晶合金发生塑形变形的起始点位置,并得到了在最大载荷一定的情况下纳米压入过程中的载荷-位移(P-h)曲线的上下限。(2)假定BAAMCs具有均质的宏观结构和非均质的周期性分布的细观结构,利用均匀化方法,根据材料周期性特点,通过摄动理论建立依赖于两尺度坐标变量而变化的渐进位移场,推导出反映BAAMCs细观结构的控制方程,并结合有限元法,数值模拟得到其宏观等效弹性模量。将算例得到的等效弹性模量与Voigt方法和Reuss方法计算结果进行对比分析,证实了均匀化算法的合理性;均匀化方法是一种具有严格数学依据、高效和实用的计算复合材料三维有效模量的方法,同时该方法还可用来确定BAAMC的成分和微观应力。(3)计算结果与文献数据对比分析表明,在钨纤维相遵循von Mises屈服准则情况下,Drucker-Prager屈服准则比von Mises屈服准则更能描述块体非晶相的早期压缩屈服行为。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 非晶合金的研究进展  9-10
  1.2 块体非晶合金的形成机理及制备方法  10-13
    1.2.1 块体非晶合金形成机理  10-11
    1.2.2 块体非晶合金的制备方法  11-12
    1.2.3 块体非晶合金的力学性能  12-13
  1.3 纳米压痕实验原理、方法及在块体非晶中的应用  13-15
  1.4 钨丝增强块体非晶复合材料制备技术研究进展  15-20
    1.4.1 钨丝增强块体非晶复合材料的制备方法  16
    1.4.2 钨丝增强块体非晶复合材料的界面特性  16-17
    1.4.3 钨丝增强块体非晶复合材料的力学性能  17-19
    1.4.4 钨丝增强块体非晶复合材料的变形行为  19-20
  1.5 利用均匀化方法对复合材料有效性能进行预测  20-21
  1.6 本课题研究的内容和意义  21-23
    1.6.1 本文主要工作如下  21-23
第2章 Fe 基块体非晶合金在纳米压入过程中的变形行为  23-32
  2.1 实验方法  23-26
  2.2 纳米压入过程的有限元模拟  26-27
  2.3 纳米压痕实验结果及有限元计算结果讨论  27-30
  2.4 本章结论  30-32
第3章 应用均匀化理论预测块体非晶复合材料的有效弹性常数  32-43
  3.1 渐近均匀化理论  32-36
  3.2 均匀化理论的三维有限元计算格式  36-39
  3.3 匀化化方法周期性边界条件  39-40
  3.4 匀化化理论的程序实现  40
  3.5 应用均匀化理论预测块体非晶复合材料的有效弹性常数  40-42
  3.6 本章结论  42-43
第4章 钨纤维增强块体非晶复合材料压缩变形  43-52
  4.1 Drucker-Prager 屈服准则  43-44
  4.2 有限元模型  44-47
  4.3 结果与讨论  47-49
  4.4 本章结论  49-52
第5章 总结和展望  52-53
  5.1 本文总结  52
  5.2 展望  52-53
参考文献  53-58
致谢  58-59
硕士生期间发表的学术论文  59

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 合金学与各种性质合金 > 其他特种性质合金 > 非晶态合金
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