采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] ：本發(fā)明提供一種采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的 方法，屬于非晶合金材料。
【背景技術(shù)】 [0002] ：非晶合金是目前新型的功能材料，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)的晶態(tài)材料有很 大的不同。晶態(tài)材料是由許許多相同的晶粒堆積而成，而非晶態(tài)材料就不像晶態(tài)材料那么 具有規(guī)律性。通過(guò)XRD(X射線衍射）等方法可以發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)材料具有短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序 的結(jié)構(gòu)特征，即在較小的范圍內(nèi)具有一定的規(guī)律性，而在較大的范圍內(nèi)則沒(méi)有這種規(guī)律性， 且這種規(guī)律性可能只分布在幾個(gè)相鄰的原子團(tuán)間。正是由于這種結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，導(dǎo)致非晶 合金在力學(xué)性能，化學(xué)性能，鐵磁性能等許多方面具有許多與晶態(tài)材料不同的表現(xiàn)。
[0003] 為了很好地描述材料的力學(xué)性能，可以采用本構(gòu)方程來(lái)研宄材料力學(xué)性能的變 化。大塊非晶合金獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其在屈服和變形的表現(xiàn)形式方面與普通合金不同。在 非晶合金的過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)，其流變行為表現(xiàn)為牛頓流變和非牛頓流變。牛頓流變是指在受 力后極易變形，且切應(yīng)力與變形速率成正比的低粘性流體，即滿足牛頓內(nèi)摩擦定律。非牛頓 流變，即不滿足牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。當(dāng)非晶合金的流變行為表現(xiàn)為牛頓流變時(shí)，非晶合 金的真應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大達(dá)到穩(wěn)定值后變化很小，呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化狀態(tài)。而當(dāng)非晶合金 的流變行為表現(xiàn)為非牛頓流變時(shí)，非晶合金會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)沖的現(xiàn)象，即隨著真應(yīng)變的增大， 真應(yīng)力急速上升，到達(dá)某個(gè)拐點(diǎn)后，隨著真應(yīng)變的增加，應(yīng)力反而下降，當(dāng)達(dá)到某一穩(wěn)定值 后，隨著真應(yīng)變的增大，真應(yīng)力不再出現(xiàn)太大的變化，呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化狀態(tài)。
[0004] 非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程是研宄牛頓流變與非牛頓流變的有效方法，非 晶合金在較低溫度和較高的應(yīng)變速率下易產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)沖現(xiàn)象（即非牛頓流變），而在較高 的溫度和較低的應(yīng)變速率下更易發(fā)生穩(wěn)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象（即牛頓流變），非晶合金處于穩(wěn)態(tài)流 動(dòng)時(shí)更適合進(jìn)行塑性成型。當(dāng)非晶合金材料三維尺寸達(dá)到毫米級(jí)以上時(shí)，采用塑性成形方 法制造非晶合金零件，將使非晶態(tài)合金許多優(yōu)異的特性得以在實(shí)際中應(yīng)用，因此開(kāi)展非晶 合金本構(gòu)方程的研宄成為目前的熱點(diǎn)。
[0005] 目前，描述非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程文章很少，典型文章有以下2篇： 一篇為唐娜，王新云，湯瑩瑩等人撰寫(xiě)《Zr基大塊非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程的 研宄》，另一篇為蘇紅娟，馬智慧，董湘懷，申昱等人撰寫(xiě)Ur 55AliciNi5Cu3ci大塊非晶合金在過(guò) 冷液相區(qū)內(nèi)虛擬應(yīng)力模型的改進(jìn)》。研宄均是通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)建立非晶合金的本構(gòu)方程，而對(duì) 于非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)拉伸的研宄不足，使非晶合金的力學(xué)性能研宄呈現(xiàn)出單一性。 實(shí)際上，對(duì)材料拉伸性能的應(yīng)用多于對(duì)材料壓縮性能的應(yīng)用。采用塑性成形方法可以制造 非晶合金零件，使非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)的優(yōu)異的拉伸性能得到應(yīng)用，因此通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn) 建立非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的 方法，其目的是克服非晶合金本構(gòu)方程建立的單一性，通過(guò)拉伸的實(shí)驗(yàn)方法研宄非晶合金 在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程，對(duì)非晶合金的塑性成形研宄起到促進(jìn)作用，同時(shí)加速了非晶 合金的實(shí)際應(yīng)用。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法，其特征在于：其采用 拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程；通過(guò)引入時(shí)間調(diào)整因子Z，使采用拉 伸實(shí)驗(yàn)建立的非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0009] 采用銅模吸鑄方法制備了厚度2mm，長(zhǎng)度80mm，寬度12mm的Zr3i2Tii 1Nii^8Cui3 Be249非晶合金板材，并采用X射線衍射分析和示差掃描量熱方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱性能的表 征，確定其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg = 339°C，晶化開(kāi)始溫度Tx = 382°C，得到過(guò)冷液相區(qū)溫度范 圍ΔΤ = 43°C ;采用機(jī)械切割將試樣加工成實(shí)驗(yàn)所需的板材拉伸試樣，尺寸為寬4. 5mm，厚 2mm，標(biāo)距15mm，試樣均是在冷卻液輔助下磨削而成，試樣表面光滑；拉伸實(shí)驗(yàn)采用電子萬(wàn) 能實(shí)驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備最大載荷為30KN，控溫范圍是(TC~1500°C，溫度控制精度±2°C，溫度控 制范圍符合實(shí)驗(yàn)要求；拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以熱電偶測(cè)試溫度為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)。
[0010] 選擇溫度和拉伸速率兩個(gè)參數(shù)，溫度分別為612,617,622,627,632K，拉伸速率分 別為0. 1，0. 25,0. 5,0. 75,1. Omm/min ;加熱爐在達(dá)到設(shè)定的溫度后，將試樣放入夾具上，保 溫5min使溫爐內(nèi)的溫度平衡均勻，再進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得拉伸實(shí)驗(yàn)力-位移曲線；然后將拉 伸速率和力與位移曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)變速率和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0011] 構(gòu)建非晶合金過(guò)冷液相區(qū)的本構(gòu)模型，采用蠕變函數(shù)耦合脈沖函數(shù)，得到 Maxwell-Pulse本構(gòu)方程，其思想基于虛應(yīng)力模型的構(gòu)造和參數(shù)擬合方法，基本思想是蠕變 應(yīng)力和過(guò)沖應(yīng)力峰的耦合：σ (t)= G creep+ G overshoot
[0012] 基于Maxwell的懦變應(yīng)力公式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法，其特征在于：其采用拉 伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程；通過(guò)引入時(shí)間調(diào)整因子Z，使采用拉伸 實(shí)驗(yàn)建立的非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法， 其特征在于：采用銅模吸鑄方法制備了厚度2mm，長(zhǎng)度80mm，寬度12mm的 扣24.9非晶合金板材，并采用X射線衍射分析和示差掃描量熱方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱性能的表 征，確定其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg= 339°C，晶化開(kāi)始溫度Tx= 382°C，得到過(guò)冷液相區(qū)溫度范 圍AT= 43°C;采用機(jī)械切割將試樣加工成實(shí)驗(yàn)所需的板材拉伸試樣，尺寸為寬4. 5mm，厚 2mm，標(biāo)距15mm，試樣均是在冷卻液輔助下磨削而成，試樣表面光滑；拉伸實(shí)驗(yàn)采用電子萬(wàn) 能實(shí)驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備最大載荷為30KN，控溫范圍是0°C~1500°C，溫度控制精度±2°C，溫度控 制范圍符合實(shí)驗(yàn)要求；拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以熱電偶測(cè)試溫度為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法， 其特征在于：選擇溫度和拉伸速率兩個(gè)參數(shù)，溫度分別為612,617,622,627,632K，拉伸速 率分別為〇.l，〇. 25,0. 5,0. 75,1.Omm/min;加熱爐在達(dá)到設(shè)定的溫度后，將試樣放入夾具 上，保溫5min使溫爐內(nèi)的溫度平衡均勻，再進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得拉伸實(shí)驗(yàn)力-位移曲線；然 后將拉伸速率和力與位移曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)變速率和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方 法，其特征在于：構(gòu)建非晶合金過(guò)冷液相區(qū)的本構(gòu)模型，采用蠕變函數(shù)耦合脈沖函數(shù)，得到 Maxwell-Pulse本構(gòu)方程，其思想基于虛應(yīng)力模型的構(gòu)造和參數(shù)擬合方法，基本思想是蠕變 應(yīng)力和過(guò)沖應(yīng)力峰的耦合：〇 (t)= 〇creep+〇overshoot 基于Maxwell的懦變應(yīng)力公式：
其中，〇f為穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)應(yīng)力；d為應(yīng)力速率，6為應(yīng)變速率，Tf為應(yīng)力松弛時(shí)間。 引入轉(zhuǎn)移閔子
對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行擬合，非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的研宄主要是研宄其粘度與應(yīng)力應(yīng)變 的關(guān)系，Arrhenius型方程符合的很好，可以表示為
將上述公式通過(guò)歸一化處理得到模型，
其中nn為牛頓黏度，nf為穩(wěn)態(tài)黏度，tf為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力松弛時(shí)間，tn為牛頓流體應(yīng) 力松弛時(shí)間，夂為主流變曲線的應(yīng)變速率，B為結(jié)構(gòu)因子，H為進(jìn)入粘滯流變狀態(tài)的激活能， 引入轉(zhuǎn)移因子a,后得出結(jié)構(gòu)因子A，引入轉(zhuǎn)移因子aT后得出進(jìn)入粘滯流變狀態(tài)的激活能H*〇 對(duì)脈沖函數(shù)模型進(jìn)行擬合，得出模型
K為脈沖峰幅值，tdP12是與應(yīng)變速率有關(guān)的常數(shù)，P為衰減能量。 將上述兩個(gè)模型進(jìn)行耦合得出，
再引入時(shí)間調(diào)整因子Z，Z通過(guò)最小二乘法計(jì)算，改進(jìn)非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu) 方程，使改進(jìn)的本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【專(zhuān)利摘要】一種采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法，生產(chǎn)中采用塑性成形方法制造非晶合金零部件，可以使非晶態(tài)合金的許多優(yōu)異特性在實(shí)際中得以應(yīng)用。材料應(yīng)用過(guò)程中拉伸性能尤其重要，采用拉伸實(shí)驗(yàn)建立非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程的方法，克服了非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程建立的單一性，同時(shí)在方程中引入時(shí)間調(diào)整因子Z， 使得擬合的結(jié)果更加接近真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為非晶合金拉伸性能的研究提供了理論指導(dǎo)，促進(jìn)了非晶合金的塑性成形研究，拓展了非晶合金作為新型功能材料的實(shí)際應(yīng)用。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104699885
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410738355
【發(fā)明人】任英磊, 尤俊華, 邱克強(qiáng), 于向南, 曲迎東, 李榮德
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月4日