采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法
【技術領域】 [0001] ：本發(fā)明提供一種采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的 方法，屬于非晶合金材料。
【背景技術】 [0002] ：非晶合金是目前新型的功能材料，其結(jié)構(gòu)特點與傳統(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，長程無序 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)則沒有這種規(guī)律性， 且這種規(guī)律性可能只分布在幾個相鄰的原子團間。正是由于這種結(jié)構(gòu)的獨特性，導致非晶 合金在力學性能，化學性能，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性能，可以采用本構(gòu)方程來研宄材料力學性能的變 化。大塊非晶合金獨特的結(jié)構(gòu)特點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。當非晶合金的流變行為表現(xiàn)為牛頓流變時，非晶合 金的真應力隨著應變的增大達到穩(wěn)定值后變化很小，呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化狀態(tài)。而當非晶合金 的流變行為表現(xiàn)為非牛頓流變時，非晶合金會出現(xiàn)應力過沖的現(xiàn)象，即隨著真應變的增大， 真應力急速上升，到達某個拐點后，隨著真應變的增加，應力反而下降，當達到某一穩(wěn)定值 后，隨著真應變的增大，真應力不再出現(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變速率下易產(chǎn)生應力過沖現(xiàn)象（即非牛頓流變），而在較高 的溫度和較低的應變速率下更易發(fā)生穩(wěn)態(tài)流動現(xiàn)象（即牛頓流變），非晶合金處于穩(wěn)態(tài)流 動時更適合進行塑性成型。當非晶合金材料三維尺寸達到毫米級以上時，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)異的特性得以在實際中應用，因此開展非晶 合金本構(gòu)方程的研宄成為目前的熱點。
[0005] 目前，描述非晶合金在過冷液相區(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《Zr基大塊非晶合金在過冷液相區(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Ur 55AliciNi5Cu3ci大塊非晶合金在過 冷液相區(qū)內(nèi)虛擬應力模型的改進》。研宄均是通過壓縮實驗建立非晶合金的本構(gòu)方程，而對 于非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)拉伸的研宄不足，使非晶合金的力學性能研宄呈現(xiàn)出單一性。 實際上，對材料拉伸性能的應用多于對材料壓縮性能的應用。采用塑性成形方法可以制造 非晶合金零件，使非晶合金在過冷液相區(qū)的優(yōu)異的拉伸性能得到應用，因此通過拉伸實驗 建立非晶合金在過冷液相區(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驗建立非晶合金過冷液相區(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，通過拉伸的實驗方法研宄非晶合金 在過冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程，對非晶合金的塑性成形研宄起到促進作用，同時加速了非晶 合金的實際應用。
[0007] 技術方案：本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0008] 采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法，其特征在于：其采用 拉伸實驗建立非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程；通過引入時間調(diào)整因子Z，使采用拉 伸實驗建立的非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更加接近真實實驗結(jié)果。
[0009] 采用銅模吸鑄方法制備了厚度2mm，長度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，晶化開始溫度Tx = 382°C，得到過冷液相區(qū)溫度范 圍ΔΤ = 43°C ;采用機械切割將試樣加工成實驗所需的板材拉伸試樣，尺寸為寬4. 5mm，厚 2mm，標距15mm，試樣均是在冷卻液輔助下磨削而成，試樣表面光滑；拉伸實驗采用電子萬 能實驗機，該設備最大載荷為30KN，控溫范圍是(TC~1500°C，溫度控制精度±2°C，溫度控 制范圍符合實驗要求；拉伸實驗過程，以熱電偶測試溫度為實驗依據(jù)，當溫度穩(wěn)定時進行實 驗。
[0010] 選擇溫度和拉伸速率兩個參數(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 ;加熱爐在達到設定的溫度后，將試樣放入夾具上，保 溫5min使溫爐內(nèi)的溫度平衡均勻，再進行拉伸實驗，獲得拉伸實驗力-位移曲線；然后將拉 伸速率和力與位移曲線轉(zhuǎn)化為應變速率和應力-應變曲線。
[0011] 構(gòu)建非晶合金過冷液相區(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，其思想基于虛應力模型的構(gòu)造和參數(shù)擬合方法，基本思想是蠕變 應力和過沖應力峰的耦合：σ (t)= G creep+ G overshoot
[0012] 基于Maxwell的懦變應力公式：
【主權(quán)項】
1. 采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程的方法，其特征在于：其采用拉 伸實驗建立非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程；通過引入時間調(diào)整因子Z，使采用拉伸 實驗建立的非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更加接近真實實驗結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(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，晶化開始溫度Tx= 382°C，得到過冷液相區(qū)溫度范 圍AT= 43°C;采用機械切割將試樣加工成實驗所需的板材拉伸試樣，尺寸為寬4. 5mm，厚 2mm，標距15mm，試樣均是在冷卻液輔助下磨削而成，試樣表面光滑；拉伸實驗采用電子萬 能實驗機，該設備最大載荷為30KN，控溫范圍是0°C~1500°C，溫度控制精度±2°C，溫度控 制范圍符合實驗要求；拉伸實驗過程，以熱電偶測試溫度為實驗依據(jù)，當溫度穩(wěn)定時進行實 驗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(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;加熱爐在達到設定的溫度后，將試樣放入夾具 上，保溫5min使溫爐內(nèi)的溫度平衡均勻，再進行拉伸實驗，獲得拉伸實驗力-位移曲線；然 后將拉伸速率和力與位移曲線轉(zhuǎn)化為應變速率和應力-應變曲線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(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，其思想基于虛應力模型的構(gòu)造和參數(shù)擬合方法，基本思想是蠕變 應力和過沖應力峰的耦合：〇 (t)= 〇creep+〇overshoot 基于Maxwell的懦變應力公式：
其中，〇f為穩(wěn)態(tài)的流動應力；d為應力速率，6為應變速率，Tf為應力松弛時間。 引入轉(zhuǎn)移閔子
對模型參數(shù)進行擬合，非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的研宄主要是研宄其粘度與應力應變 的關系，Arrhenius型方程符合的很好，可以表示為
將上述公式通過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)流動應力松弛時間，tn為牛頓流體應 力松弛時間，夂為主流變曲線的應變速率，B為結(jié)構(gòu)因子，H為進入粘滯流變狀態(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后得出進入粘滯流變狀態(tài)的激活能H*〇 對脈沖函數(shù)模型進行擬合，得出模型
K為脈沖峰幅值，tdP12是與應變速率有關的常數(shù)，P為衰減能量。 將上述兩個模型進行耦合得出，
再引入時間調(diào)整因子Z，Z通過最小二乘法計算，改進非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu) 方程，使改進的本構(gòu)方程擬合的結(jié)果更接近真實實驗結(jié)果。
【專利摘要】一種采用拉伸實驗建立非晶合金過冷液相區(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)異特性在實際中得以應用。材料應用過程中拉伸性能尤其重要，采用拉伸實驗建立非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的本構(gòu)方程的方法，克服了非晶合金在過冷液相區(qū)內(nèi)本構(gòu)方程建立的單一性，同時在方程中引入時間調(diào)整因子Z， 使得擬合的結(jié)果更加接近真實實驗結(jié)果。為非晶合金拉伸性能的研究提供了理論指導，促進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際應用。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104699885
【申請?zhí)枴緾N201410738355
【發(fā)明人】任英磊, 尤俊華, 邱克強, 于向南, 曲迎東, 李榮德
【申請人】沈陽工業(yè)大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2014年12月4日