晶体/非晶铜锆双相复合材料力学性能的模拟研究

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非晶合金以其高强度、高硬度、大弹性应变极限等优异性能引起了人们的广泛关注,然而,高度局部化的剪切带的形成和迅速扩展严重限制了其塑性变形能力,难以满足结构件的要求,导致非晶合金在各个领域上的进一步开发与应用受到限制。近年来研究表明晶体/非晶双相纳米结构非晶合金能够有效改善非晶合金的塑性,但这却是以牺牲强度为代价的。因此,有必要探索一种既能获得高强度又能获得高塑性非晶合金的有效方法。形状记忆合金由于应力诱发马氏体相变,具有了较高的屈服强度和超塑性,这为获得性能更好的金属玻璃复合材料提供了一个新的视角。本文采用分子动力学模拟方法,构建了晶体/非晶多层膜和嵌入晶体的非晶合金复合材料,深入研究了在拉伸载荷下两种不同的复合材料结构对双相纳米非晶合金力学性质和变形机制的影响,揭示了双相纳米结构非晶合金的强化机理。本文的主要研究内容和结论如下:(1)采用分子动力学方法研究了嵌入晶粒的尺寸和分布对双相纳米晶/非晶B2-Cu Zr/Cu64Zr36复合材料力学行为的影响。结果表明,随着纳米晶颗粒的尺寸增大,复合材料变形模式发生了从相对均匀变形到单一剪切带的局部变形的转变。研究指出,增大纳米晶尺寸/体积分数能有效提高复合材料的峰值应力,但除了较小尺寸纳米晶体模型外,双相复合材料的塑性没有明显增强。此外,相对于交叉排列,纳米晶粒的对齐排列导致了更严重的塑性应变局部化。(2)采用分子动力学模拟方法研究了形状记忆合金/非晶B2-Cu Zr/Cu64Zr36纳米多层膜在拉伸载荷下的变形行为。结果表明,无论形状记忆合金体积分数如何变化,纳米多层膜的峰值应力和流动应力均大于整体非晶合金。形状记忆合金相中的马氏体相变限制了剪切带的传播,避免了失稳失控,同时诱发了塑性应变强化。随着形状记忆合金体积分数的增加,纳米多层膜的塑性变形模式从以多个剪切带为主的相互作用转变为纳米孔隙聚集导致的脆性断裂。这意味着通过调整形状记忆合金的体积分数可以显著提高纳米多层膜的塑性和强度。
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