预加载对具有形变诱发相变行为的非晶复合材料结构及性能的影响研究

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具有形变诱发相变行为的非晶复合材料因其兼具非晶合金的高强度、晶体的优良塑性变形能力和良好的加工硬化能力而被研究人员广泛关注。但是与大多数非晶复合材料相同,由于非晶基体中剪切带萌生的偶发性和非受控扩展,在力学性能上表现出可重复性差的特点,这极大的限制了其实际应用。幸运的是,在具有形变诱发相变行为的非晶复合材料中相变的发生可以有效调节复合材料中的应力分配,与剪切带的萌生与扩展息息相关。因此尝试通过应力调控马氏体相变的动力学特征对改善非晶复合材料塑性及性能可重复性有着重要的意义。本文以具有形变诱发相变行为的Ti45.7Zr33Ni3Cu5.8Be12.5(ZT-M)非晶复合材料为研究对象,在弹性变形阶段600 MPa-1100 MPa应力范围内设计了轴向预压缩、横向预压缩、轴向预拉伸以及循环加载和应力保持的方法,成功的对形变诱发相变行为进行了调控,系统地研究了不同加载应力、不同加载方式对合金组织结构、力学性能和变形机制的影响规律。铸态ZT-M非晶复合材料的屈服强度、抗压强度和塑性应变量分别为1463 MPa、1896MPa、5.9%。横向预加载工艺中,在垂直于样品长轴方向进行600MPa至1100MPa单次和循环10次单轴预压缩。结果显示,单次和多次预压缩处理均不能有效的改善非晶复合材料力学性能及可重复性。这是由于横向预压缩预制的马氏体在长轴方向进行性能测试的过程中易于发生逆相变,难以保留到塑性变形阶段,未参与剪切带的诱导萌发和受控扩展过程。使得预处理后样品的剪切带萌生与扩展方式和铸态相近。轴向预压缩处理工艺中,在平行于样品长轴方向进行了 600 MPa至1100 MPa单次和循环10次单轴预压缩、900 MPa保压(10min、30min)预加载、900 MPa循环30次预加载。结果表明,不同应力单次预压缩处理后合金的抗压强度和塑性变形能力均较铸态样品有所提高。循环10次预压缩后性能进一步提升,随着处理应力增加,抗压强度和塑性应变量呈现先上升后下降的趋势。其中900 MPa循环10次处理后表现出良好的综合力学性能。在该应力下进行保压和循环预加载结果显示,材料的强度、塑性及可重复性随着保压时间和加载周次的增加同时提高。900MPa应力保持30min的力学性能提升最为明显,屈服强度、抗压强度、塑性应变量分别为1628 MPa、2046 MPa、8.1%,较铸态样品分别提升了 11.3%、8%和37.7%。这是因为轴向预压缩处理优先预制特定取向的马氏体,压缩试验时能够促进马氏体相变的发生,起到了调节样品中应力分配的作用。变形过程中马氏体相进一步通过生成形变孪晶,协调了合金整体的塑性变形。进一步通过离散系数评价了 900 MPa应力保持30分钟ZT-M合金性能的可重复性。与原始样品相比,屈服强度、抗压强度、塑性应变量离散系数分别降低了 0.022、0.015、0.024,可重复性提高了 102.9%、100.5%、15.7%。这是由于900MPa略高于应力诱发马氏体相变的临界应力,预制马氏体片层间距细小,诱导高密度剪切带萌生,断口上显示出大片熔融的非晶相涂覆在晶态相上,部分区域该能观察到剧烈变形产生的“绳状构造”。轴向预拉伸处理工艺中,在平行于样品长轴方向进行了 600 MPa至1100 MPa单次和循环10次单轴预压缩、1000 MPa保压(10 min、30min)预加载、1000 MPa循环30次预加载。结果表明,轴向单次预拉伸处理可以明显提高材料的力学性能及可重复性,不同应力之间区别不明显。这是由于拉应力状态下,优先生成的马氏体取向为[001]α"//[110]β//加载轴方向,该取向α"马氏体相与亚稳β相晶格畸变量更小,相变更容易发生。循环周次增加到10次后发现,随着预处理应力提高材料的抗压强度和塑性应变量呈现先下降后上升的趋势,其中1000 MPa处理后抗压强度和塑性变形量均提高,表现出优异的综合性能。进一步1000 MPa保压和循环预加载结果显示,材料的强度、塑性及可重复性与保压时间和加载周次呈正相关,1000 MPa预拉伸保持30 min的样品组的抗压强度可达2019MPa,还具有更好的塑性变形能力及可重复性,塑性应变量达到了 7.9%,弹性模量、抗压强度和塑性可重复性均较铸态样品提高了 302.9%、30.7%、74.4%。从样品的侧面形貌均观察到剪切带的密度增加,扩展路径弯曲,相变晶粒周围多重剪切带的萌生,试样断口上非晶熔融区域增加,脉络纹变短。
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