Zr基非晶合金的振动塑性成形机理及有限元分析

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非晶合金在过冷液相区的超塑性,使其能通过热压印方式进行低成本、高效率快速成型,制造出面向现代化工业应用的微纳结构/器件。然而,微型化带来的“尺寸效应”是微成形领域不可避免的核心问题之一。随着成形尺寸的微型化,非晶合金与模具型腔表面间的界面摩擦作用逐渐成为影响非晶合金的成形能力的主要因素。目前,通过升高成形温度或延长成形时间等方法来提高非晶合金的成形能力,可能会带来非晶晶化问题,这极大制约了非晶合金微纳结构/器件的批量制造及工业应用。振动塑形加工是一种提高传统金属材料及聚合物成形能力的重要方法,该方法可有效降低成形应力,减弱界面摩擦作用。若将该方法用于非晶合金的微/纳尺度成形,将可能有效提高非晶合金的微/纳成形能力。然而,目前关于该方面的研究甚少,相关机理尚不清晰。本研究采用振动加载方法,系统研究了加载频率对非晶合金在过冷液相区成形能力的影响规律。通过理论分析,计算出不同加载频率下,流动单元和自由体积随温度的变化关系。构建含有自由体积参数的本构方程,进行有限元数值分析,深入研究过冷液态非晶合金在振动加载条件下,自由体积随加载频率的变化规律。通过上述研究,有效揭示了振动加载提高非晶合金热塑性成形能力的物理机制。首先,基于自由体积理论,构建含有自由体积参数的本构方程,采用Deform商业软件进行有限元模拟,结合Tecplot商业软件模拟计算出自由体积在热塑性变形样品中的分布,并通过对不同尺寸Zr基非晶合金进行热压缩实验,通过比较模拟和实验获得的应力—应变曲线对该本构方程的有效性进行验证。其次,采用热机械分析仪(DMA),对Zr基非晶合金进行振动加载条件下的拉伸实验,揭示振动加载频率对非晶合金热塑性变形形能力(以塑性应变为评价标准)的影响规律。采用DMA悬臂梁实验,获得不同加载频率下的储能/损耗模量变化规律,理论计算出不同加载频率下的流动单元和自由体积随温度的变化关系。采用含有自由体积的本构方程,模拟获得自由体积在不同加载频率热塑性成形样品中的分布。基于上述研究,提出振动频率引起的软化和材料流动的均匀性是引起振动加载提高非晶合金热塑性变形能力的根本原因。最后,本文进一步研究了振动加载对非晶合金在微尺度模具中成形能力的影响规律。通过热压印实验,对微压印柱状阵列进行两种不同频率下的热压印成形,并与保压条件进行对比,获得振动加载频率对非晶合金在微尺度模具中热塑性成形能力的影响规律,进一步验证了振动加载提高非晶合金成形能力的有效性。
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