冲击载荷下Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体金属玻璃的断裂行为研究

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本文基于改进的分离式霍普金森杆装置对Zr41.2Ti13.8Cu10Ni12.5Be22.5(Vit1)块体金属玻璃进行单边缺口的三点弯曲实验,研究了I/III型动态缺口韧性对加载速率的敏感性。与Ⅰ型断裂不同的是,在I/III型断裂条件下,断口出现了一种无序的脉状结构,这表明存在一种复杂的应力状态,而这种复杂的应力状态被认为可以促进密度较高的剪切带的产生。通过对剪切带的定量分析,发现随着加载速率的增加,剪切带数(Ns)增加,而主剪切带间距(λ)减小。I/III型断裂模式下,KQd和Ns之间符合KQd=C 1(NS0.5的函数关系,这种函数关系同样适用于不同非晶合金在准静态加载条件下。λ与NS之间也被建立了QKd=C2(?)0.35的函数关系。而剪切带被认为可能起着连接动态缺口韧性与加载速率的桥梁的作用。此外,基于自组织临界理论(SOC),更多的剪切带和更小的主剪切带间距增强了剪切带之间的相互作用,这有助于缓冲较大的变化,从而对动态缺口韧性产生了影响。块体金属玻璃分别在预刻I型缺口和I/III型缺口的条件下断裂行为存在明显的差异性。在冲击载荷下,Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5试样发生I/III型断裂的起裂时间相对于I型断裂明显被延迟,并且I/III型断裂的卸载过程明显被延阻。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5试样所承受的峰值载荷呈现出随着冲击速度增加而增大的趋势,当冲击速度相近时,试样发生I/III型断裂比发生I型断裂承受了更大的峰值载荷。通过对试样电镜扫描图的分析,从形貌学和剪切带形成机理角度对实验结果进行了解释。通过Abaqus对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体金属玻璃的动态三点弯曲实验进行了有限元建模,获得了试样在20m/s的冲击速度下的载荷-时间曲线、位移-时间曲线以及应力分布图。通过和实验结果的比较,验证了模型的有效性,并发现两种试样缺口处的应力分布情况都与实验中裂纹的起裂位置及扩展路径相吻合,证实了Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体金属玻璃发生I型断裂和I/III型断裂都是由应力驱动的。
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