论文部分内容阅读
金属玻璃材料因其特殊的非晶态微观结构，表现出极高的屈服强度和极大的弹性变形、超强的耐腐蚀性及优异的磁学性能，被认为是具有广泛应用前景的新型材料。冲击动力学是研究材料及结构在冲击强载荷作用下的运动、变形及破坏的一门学科，是力学、材料学、冲击物理、应用数学与大型计算等众多学科研究的交叉领域。由于金属玻璃特殊的微观结构及复杂的变形机理，其在冲击载荷作用下的变形破坏模式、应变率效应及温度效应至今还没有统一的认识，其在冲击动力学应用领域的技术开发，如爆炸焊接、抗侵彻性能及激光表面处理等方面的研究，也少见报道。为全面了解金属玻璃的力学行为及变形机理，拓展该新型材料在极端环境下的工程应用，深入研究金属玻璃的动态力学行为具有重要的科学意义和工程价值。
本文以实验技术为主要手段，结合数值模拟及理论分析，全面研究了金属玻璃的动态力学行为。在基础研究方面，利用自行设计的多功能小型霍普金森杆试验平台，深入研究了金属玻璃力学行为的温度效应、应变率效应及二者的耦合效应，澄清了目前对于金属玻璃失效应力的应变率效应存在的一些争议；在工程应用方面，开展了金属玻璃爆炸焊接技术开发、金属玻璃复合材料抗侵彻性能检测及金属玻璃激光表面处理技术等方面的研究。主要有以下工作：
1.针对研究金属玻璃动态力学行为的传统霍普金森杆技术存在的问题，自行设计了多功能小型霍普金森杆试验平台。利用该平台，将金属玻璃动态力学行为的应变率研究范围拓展至2000s-1-12000s-1。通过增加试件加热装置和冷却装置，将金属玻璃动态力学行为的温度研究范围拓展至100K-700K。
2.利用自行设计的多功能小型霍普金森杆试验平台，首次全面研究了高应变率、不同温度下金属玻璃的动态力学行为，重点探讨了温度、应变率对金属玻璃变形模式、失效应力的影响。在不同温度下，均发现了金属玻璃失效应力在特定应变率范围内会突然下降、然后趋于平稳的现象。基于金属玻璃微观变形机制，建立了用于描述金属玻璃失效应力的温度效应及应变率效应的模型。该模型预测的结果与试验结果相符，澄清了失效应力的突然下降主要是由于高应变率下金属玻璃内部的局部快速温升导致的。
3.针对金属玻璃的特殊性质，分别开发了适用于块体金属玻璃、薄带金属玻璃与普通金属板复合的爆炸焊接技术。利用这些技术，分别成功地将块体金属玻璃、薄带金属玻璃与普通金属板在原子尺度上焊接在一起。对焊接界面的观测表明，金属玻璃保持住了其非晶态微观结构和优异的力学性能。利用基于Euler网格的多物质计算软件Super CE/SE对整个爆炸焊接过程进行了数值模拟，计算结果表明焊接过程中界面附近快速的升温降温是金属玻璃保持其微观结构与性能的关键。
4.利用自行设计的适用于研究小试件抗动能侵彻性能的试验平台、抗射流侵彻性能的聚能装药试验装置，对于利用爆炸焊接技术制备的铝-金属玻璃-铝复合板的抗侵彻性能进行了试验研究。另外，利用基于商业软件ANSYS/LS-DYNA的数值模拟方案，对铝.金属玻璃.铝复合板的抗侵彻机理进行了全面的数值模拟研究。
5.利用KrF准分子脉冲激光器，对单脉冲激光作用下金属玻璃表面形貌的改变进行了初步的研究，首次在金属玻璃表面得到了有组织排列的、特征尺寸为几百纳米的波纹状结构。理论分析表明，在较高能量的单脉冲激光作用下，金属玻璃表面会发生熔化并生成表面毛细波，向四周传播的毛细波凝固后形成了这些有组织排列的波纹状结构。这些组织良好的微结构，对于改善金属玻璃抗磨损性能、制造功能性的微纳米器件等方面具有潜在的应用前景。