锆基非晶合金中锯齿流变动力学的研究

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非晶合金的室温低塑性极大地限制了其在工业上的应用,其无序态的结构难以通过现有的微观分析手段得到表征,结构信息与力学性质之间的关系尚不清楚。在缓慢增加的压缩载荷的作用下,间歇性的锯齿流变事件出现在非晶合金塑性变形过程中,具体表现为应力或载荷随应变或时间成锯齿状前进。锯齿流变动力学反映剪切带过程,为非晶合金塑性流变机理的阐明提供了一种有效的手段。锯齿数目成百上千,锯齿事件的大小和发生时间无特征规律。本文主要采用统计学分析方法譬如概率密度函数、补偿累积分布函数、“Bi测试法”和K-S(Kolmogorov-Smirnov)假设检验方法,并类比地震学中的产生定律、Bath定律、Omori定律,对非晶合金在不同加载应变速率和不同高径比下的锯齿流变的尺寸动力学和时间关联性进行了系统地研究。随着应变速率的增加,锯齿流变特征参数应力降幅值逐渐减小。应力降的平均幅值与应变速率的对数之间的线性递减的关系被提出。随着应变速率从5×10-5 s-1增加到2×10-3 s-1,Zr61.88Cu18Ni10.12Al10非晶合金的锯齿流变特征参数弹性能密度的概率密度函数出现了从高斯向幂律分布的转变。幂律分布情况下,试样展现出较大的塑性应变,然而这种单一幂律标度的出现借助于应变速率的调控,不满足自组织临界性的条件。任一应变速率下,Zr61.88Cu18Ni10.12Al10非晶合金的应力降幅值的补偿累积分布函数服从小锯齿事件的幂律分布耦合大锯齿事件的指数衰减形式,幂律截止应力降幅值和最大应力降幅值随加载应变速率的增加而减小。任一加载条件下,幂律截止应力降幅值和最大应力降幅值随加载应力的增加而增大。这些结果说明锯齿流变具有可调临界性,满足平均场理论的预测,证实了平均场理论在解释非晶合金锯齿流变性质方面的有效性。基于应力降幅值受应变速率调控,且最大应力降幅值往往在试样接近断裂时出现,Zr62Cu15.5Ni12.5Al10非晶合金在 3×10-5、3×10-4和3×10-3s-1三种不同应变速率下的最大剪切带温升被研究。锯齿载荷降过程中,总的释放弹性能量和载荷降耗散时间是剪切带温升计算的两个关键参数。总的释放弹性能量随应变速率的增加而减小。任一应变速率下,载荷降耗散时间为几十个毫秒。在平均场理论的指导下,剪切带同时扩展机制被选取。随着应变速率的增加,剪切带最大温升逐渐减小,从2.6、2.3减小到1.9 K.任一应变速率下,剪切带温升不足3 K,说明剪切引入的热对剪切带不稳定滑移的影响很小,由此指向结构软化研究的重要性。借助锯齿应力降幅值的补偿累积分布函数、“Bi测试法”、K-S双边假设检验,并类比地震学中的产生定律、Bath定律、Omori定律,本研究探索了 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金在四种不同高径比(3:1、2:1、1:1和1:2)下的锯齿流变动力学特征。当试样的高径比减小到1:1时,出现了由脆向韧的转变。当试样的高径比进一步减小到1:2时,锯齿流变动力学性质发生了变化。研究发现,非晶合金有着类地震的尺寸动力学和时间关联性,符合平均场理论模型对不同软化参数情况下的锯齿流变性质的预测。在高径比为3:1、2:1和1:1的情况下,应力降的补偿累积分布函数均服从幂律耦合指数衰减的形式,幂律段的幂指数为0.5,且产生定律的幂指数也接近0.5。随着试样高径比的减小,径向应力的约束作用逐渐增大,锯齿事件在时间上以非泊松过程演变的置信水平逐渐增大,从70%、99.5%增加到99.99%,源于锯齿团簇时间窗成倍数地延长。基于平均场理论对脆性材料的预测,单一主剪切带主导塑性流变,大的正软化参数εw,1的微弱减小,使代表严重结构膨胀的大锯齿事件的出现发生延迟,表现为锯齿团簇时间窗的延长和大锯齿数目所占比例的减小。高径比进一步减小到1:2时,径向约束作用极大增强,触发了多重主剪切带主导塑性流变。应力降幅值很小,应力降大小的补偿累积分布函数服从单一的幂律形式,幂指数近似为1,无系统铺满的大锯齿事件,不具备定义下的锯齿团簇性质,锯齿事件在时间上以非泊松过程演变的置信水平降低到50%,产生定律的幂指数近似为1,这些特征均符合平均场理论对于近零软化参数εw,2情况下的预测结果。
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