高速冲击下大块金属玻璃的变形特征

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块体金属玻璃是最近几十年发展起来的一类新型材料,内部原子排列长程无序。这种结构上的特殊,导致金属玻璃的塑性变形机制与晶态合金显著不同。以往的研究多集中在准静态加载条件,而高速冲击(高应变率>104 S-1)下金属玻璃的塑性变形特征的研究少见报道。因此,研究高速冲击载荷下大块金属玻璃变形特征非常有意义。本文围绕高速冲击下大块金属玻璃的变形特征问题,结合一级轻气炮实验装置设计,开展了平板撞击和球形弹丸冲击两类高速冲击实验,为了对比,并开展较低应变率的系列实验,最后对实验结果做了细致的观察与理论分析。    从应力波原理出发设计并开展了高速冲击实验。首次在韧性的锆基大块金属玻璃断口清晰的观察到了从胞圆结构到涟漪结构,进而演化到周期性条纹结构,最后出现微观分叉的断口形貌动态演化过程。建立了一个基于断口能量耗散与孔洞长大的模型来理解断口形貌的转变,进一步讨论了大块金属玻璃的动态断裂不稳定性,并发现了非晶材料动态裂纹扩展不稳定时的临界速度与材料强度存在内在关联。   从不同应变率的角度开展了大块金属玻璃球形弹丸的一级轻气炮高速冲击实验、霍普金森杆冲击实验以及准静态压入实验。在高速冲击下,金属玻璃破坏剧烈,表面呈现多重交割的剪切带,断口呈现胞圆和熔融液滴的特征。在霍普金森杆冲击下,大块金属玻璃出现材料崩裂现象,断口出现胞圆、鱼骨状花样的剪切断裂形貌以及不同熔融区域存在镜面和微观起伏特征。在准静态压入实验后,试样凹坑表面呈现环向和径向两类剪切带,且由于环向应力引起的剪应力先于径向应力引起的剪应力达到最大值使得径向剪切带先于环向剪切带形成。结果表明应变率对金属玻璃的变形破坏有显著的影响。  
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