TiZr基内生非晶复合材料的过冷液相区变形行为研究

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内生枝晶相TiZr基非晶复合材料具有非晶形成能力高、综合力学性能优异等特点,是一种极具工程应用潜力的结构材料。非晶复合材料在过冷液相区的变形行为对于其加工成形具有重要意义,然而相关的研究较少,且第二相对过冷液相区变形行为的影响规律及机制尚不明确,阻碍了内生枝晶相非晶复合材料加工成形技术与理论的发展。针对此,本文选择了内生枝晶相体积分数为10-30%的TiZr基非晶复合材料,研究了实验温度、保温时间、应变速率及枝晶相体积分数对非晶复合材料过冷液相区变形行为的影响,并基于自由体积理论构建了材料流变的本构关系,详细阐述了材料的变形行为与微观结构之间的关系。  温度对TiZr基非晶复合材料的变形行为具有关键作用。随着实验温度的升高,Ti35.7Zr35.6Cu8.3Be20.4非晶复合材料(简称TN10,枝晶相体积分数约10%,玻璃转变温度Tg=618K,初始晶化温度Tx=698K)的屈服强度、流变应力和过冲应力均逐渐降低;材料的加工硬化率逐渐增大并导致材料的变形行为从加工软化过渡到加工硬化;材料的断裂方式从韧性断裂转变为脆性断裂;材料的结构在变形过程中发生明显变化:非晶基体在变形过程中会逐渐发生晶化,其晶化程度随温度升高和应力增大而增加,且枝晶相会在变形过程中发生马氏体相变形成α"-Ti。由于材料在过冷液相区内的变形行为主要由非晶基体主导,枝晶相在变形过程中随非晶基体一起运动,因此非晶基体的晶化是导致材料加工硬化效应的主要原因,而枝晶相的相变对材料加工硬化率的贡献很小。由于枝晶相非常细小且分布均匀,因此变形前后材料中枝晶相的分布规律在微观上看不出明显的变化。  保温时长和应变速率也是影响TN10非晶复合材料变形行为的重要参数。保温时间的延长导致非晶复合材料表现出更高的屈服强度、流变应力以及过冲应力。但是保温时间延长导致TN10的塑性变形能力以及加工硬化效应显著降低。应变速率升高导致TN10的屈服强度和流变应力逐渐增大,但是对塑性变形能力并没有很大的影响。在673K下,应变速率越低,在拉伸变形过程中相同应变下所需的时间更长,导致材料中的非晶相晶化程度更明显,因此表现出更高的加工硬化率。  枝晶相体积分数对材料的变形行为有重要影响。通过调整合金成分制备了不同体积分数的Ti386Zr35.6Cu7.6Be18.2和Ti41.4Zr35.8Cu6.9Be15.9非晶复合材料(简称TN20和TN30,枝晶相体积分数分别约为20%和30%),在体积分数升高的同时,材料的Tg和Tx并没有发生明显的变化。相对TN10而言,枝晶相体积分数的增加导致材料的屈服强度和流变应力降低,同时材料的塑性变形能力降低;材料变形过程中的微观不均匀性增加,导致材料在变形过程中萌生大量的微孔。TN20和TN30的变形行为表现出很大的相似性,两者差异不明显。  自由体积模型可以很好地描述TN10非晶复合材料在过冷液相区内的变形行为。TN10的应变速率敏感系数随温度的升高和应变速率的降低而增大,其变化范围为0.37~1,对应TN10的流变行为从非牛顿型流变转变为牛顿型流变;通过计算得到TN10非晶复合材料的激活体积Vact的变化范围为0.138nm3~0.151nm3,且随着温度升高激活体积逐渐增加并最后保持稳定;频率因子(ε)0的变化范围为1.39×10-4s-1~4.24×10-4s-1,频率因子随温度的升高逐渐增大。通过与已报道的非晶合金和非晶复合材料进行对比发现TN10的激活体积和频率因子介于非晶合金和第二相体积分数较高的非晶复合材料之间,且其数值更接近于非晶合金,说明TN10在过冷液相区内的变形行为主要由非晶基体主导,第二相枝晶对非晶基体流变的影响不明显;TN10的粘度随温度升高和应变速率的增加而逐渐降低;TN10的归一化粘度和理论主曲线在高应变速率区间内吻合较好,但随着应变速率的降低和温度的升高,材料的归一化粘度值逐渐偏离理论主曲线,不过依然维持在一个稳定值,说明材料进入了牛顿型流变状态。
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