蔣曉琴，張 娟，饒 威

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

引 言

塊體金屬玻璃(BMGs) 由于具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性及優(yōu)良的磁學(xué)性能等優(yōu)異性能，從而得到了專家學(xué)者們廣泛的關(guān)注［1-3］。但由于缺乏硬化機(jī)制，金屬玻璃在室溫變形過(guò)程中極易形成單一狹窄的剪切帶，進(jìn)而發(fā)生宏觀脆性失效，這極大地限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用［4-5］。為改善金屬玻璃的宏觀塑性，許多學(xué)者通過(guò)外加法與內(nèi)生法在金屬玻璃基體中添加第二相制備金屬玻璃基復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)提高塊體金屬玻璃韌性的目的［6-7］。研究表明: 由于增韌相能有效阻止基體內(nèi)剪切帶的擴(kuò)展并促進(jìn)多重剪切帶的萌生，因此塊體金屬玻璃基復(fù)合材料(BMGCs) 既具備高強(qiáng)度又具有良好韌性。

隨著大量具有優(yōu)良力學(xué)性能的BMGCs 被成功制備，許多學(xué)者在不同加載條件下對(duì)BMGCs 的變形行為開(kāi)展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明［8-14］: 加載率對(duì)塊體金屬玻璃基復(fù)合材料的影響十分復(fù)雜。例如:Wang 等［8］對(duì)SiC 多孔介質(zhì)增強(qiáng)鈦基BMGCs 率敏感性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 應(yīng)變速率對(duì)復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度的影響可通過(guò)兩相之間率敏感性的競(jìng)爭(zhēng)作用來(lái)解釋。室溫壓縮工況下，多孔SiC 斷裂強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增大，而金屬玻璃基體的斷裂強(qiáng)度表現(xiàn)為隨應(yīng)變速率的增加而減小，由于在低應(yīng)變率加載下多孔SiC 在變形過(guò)程中起主導(dǎo)作用，故復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度表現(xiàn)為正應(yīng)變率敏感性。Jiao 等［9］對(duì)鎢顆粒增強(qiáng)BMGCs 的率敏感性展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明: 室溫低應(yīng)變率加載下，應(yīng)變?yōu)?%時(shí)對(duì)應(yīng)的鎢顆粒的應(yīng)力值隨應(yīng)變速率的增大而增大，而基體的流動(dòng)應(yīng)力不隨應(yīng)變速率的改變而改變，從而應(yīng)變?yōu)?%時(shí)對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料的應(yīng)力值隨著應(yīng)變速率的增大而增加。Xu 等［10］對(duì)鋯基BMGCs(Zr46.5Cu47Al6Co0.5) 率敏感性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明: 在室溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下，隨著應(yīng)變速率增大，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度隨之增大，但其塑性變形能力會(huì)有所下降。在上述實(shí)驗(yàn)中，BMGCs 的斷裂強(qiáng)度均表現(xiàn)出正應(yīng)變率敏感性，同時(shí)也有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)BMGCs 的屈服強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出負(fù)應(yīng)變率敏感性和無(wú)應(yīng)變率敏感性［11-14］。由此可見(jiàn)，受到試樣合金成分、微觀結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，BMGCs 率敏感性變形行為的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為分散，從而限制了對(duì)其進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究。

有限元模擬作為一種重要的輔助研究手段，能夠在材料變形過(guò)程中時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，為實(shí)驗(yàn)研究提供合理的補(bǔ)充說(shuō)明和有效預(yù)測(cè)。目前，已有學(xué)者采用有限元模擬技術(shù)研究了BMGCs 的微結(jié)構(gòu)特性對(duì)力學(xué)性能的影響［15-17］，但針對(duì)BMGCs 在室溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下率敏感性變形行為的模擬研究還未見(jiàn)報(bào)道。故本文擬采用自由體積模型和各向同性雙線性Cowper-Symonds 模型來(lái)分別描述金屬玻璃基體和增韌相的變形行為，并利用有限元軟件ABAQUS 對(duì)BMGCs 在不同應(yīng)變速率加載下的力學(xué)性能和變形行為進(jìn)行模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的有效性。然后進(jìn)一步討論增韌相率效應(yīng)對(duì)BMGCs 力學(xué)性能以及基體內(nèi)剪切帶演化的影響，探討復(fù)合材料率敏感性變形行為和失效的微觀機(jī)理，為金屬玻璃基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備及實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 金屬玻璃本構(gòu)模型

大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明剪切帶的產(chǎn)生和演化是金屬玻璃塑性變形的主要方式［18］，許多學(xué)者也提出了大量的理論模型用來(lái)描述金屬玻璃的塑性變形和剪切變形行為。Spaepen［19］首先建立了自由體積模型來(lái)描述金屬玻璃的變形行為。隨后許多學(xué)者基于Spaepen 的理論研究，利用自由體積模型及改進(jìn)后的模型對(duì)金屬玻璃變形過(guò)程中的許多現(xiàn)象進(jìn)行了合理的解釋。因此，該模型目前已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。Huang 等［20］基于自由體積模型，利用連續(xù)介質(zhì)框架，引入自由體積擴(kuò)散性，構(gòu)建出小變形自由體積本構(gòu)模型，該模型具有深厚的物理機(jī)理，且能較好地描述金屬玻璃均勻及非均勻變形行為。本文采用該模型描述金屬玻璃基復(fù)合材料中基體的變形。

對(duì)于金屬玻璃基體，基于小變形假設(shè)，將應(yīng)變分為彈性應(yīng)變?chǔ)舉、塑性應(yīng)變?chǔ)舙和過(guò)量自由體積相關(guān)的非彈性應(yīng)變?nèi)糠?

其中: ξ 為局部自由體積濃度; ξ0為參考構(gòu)型下零應(yīng)變對(duì)應(yīng)的局部自由體積濃度; 1 為二階單位張量。

基于各向同性材料假設(shè)，金屬玻璃基體的彈性段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由胡克定律給出:

其中:σ 為應(yīng)力張量; μ 和k 分別為金屬玻璃基體的剪切模量和體積模量; dev(·) 表示偏張量; tr(·) 表示張量的跡。

塑性應(yīng)變率表示為:

其中: υ0表示原子振動(dòng)頻率; ΔGm表示原子激活能; kB為玻爾茲曼常數(shù); T 為絕對(duì)溫度(實(shí)驗(yàn)溫度) ; α 為幾何因子; Ω 為平均原子體積。

在Huang 模型［20］中，自由體積濃度的演化采用Speapen 所給出的形式，具體表示為:

其中: χ 為幾何參數(shù); υ*為臨界原子體積; s = E/［3(1 －υ) ］表示Eshelby 模量; nD為湮滅一個(gè)自由體積所需要參與跳躍的原子數(shù)。

運(yùn)用Fortran 編程語(yǔ)言將上述金屬玻璃本構(gòu)方程編寫(xiě)成ABAQUS 用戶材料子程序(UMAT) ，并在數(shù)值模擬過(guò)程中調(diào)用該程序，用以描述金屬玻璃基體的變形行為。參考Rao 等［16］對(duì)金屬玻璃基體內(nèi)剪切帶演化的數(shù)值模擬研究，利用von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變(由內(nèi)部狀態(tài)變量SDV3 表示) 來(lái)表征剪切帶，且當(dāng)von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變大于4% 時(shí)，表示剪切帶已形成，令SDV2 =1，反之則令SDV2 =0。

1.2 增韌相本構(gòu)模型

本文研究的金屬玻璃基復(fù)合材料的增韌相為內(nèi)生樹(shù)枝晶相，而這種內(nèi)生增韌相的力學(xué)性能往往無(wú)法單獨(dú)測(cè)得，只能假設(shè)其力學(xué)性能與一般的金屬材料類似。因此，本文采用各向同性雙線性Cowper-Symonds 模型來(lái)描述其變形行為。該模型考慮了應(yīng)變硬化和應(yīng)變率效應(yīng)，是Cowper 等［21］通過(guò)在彈塑性本構(gòu)模型中加入冪指數(shù)的應(yīng)變率因子來(lái)縮放屈服應(yīng)力而得到的。

增韌相的總應(yīng)變分為彈性應(yīng)變?chǔ)舉與塑性應(yīng)變?chǔ)舙兩部分:

彈性段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由胡克定律給出:

其中:σ 為應(yīng)力張量; μ 和k 分別為增韌相的剪切模量和體積模量。

von-Mises 等效應(yīng)力表示為:

式中:s=dev(σ) 表示應(yīng)力偏張量。

屈服面演化方程為:

動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σd表示為:

式中: σ0為靜態(tài)屈服應(yīng)力; Ep= EtE/(E－Et) 為塑性模量，E 為彈性模量，Et為切線模量;為等效塑性應(yīng)變;為等效應(yīng)變率; εij和分別為應(yīng)變和應(yīng)變率分量; C 和p 分別為應(yīng)變率參數(shù)常量。

塑性應(yīng)變率為:

1.3 幾何模型

對(duì)BMGCs 的有限元模擬研究表明，與三維有限元模型相比，二維有限元模型更利于直接觀察剪切帶的演化，且節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，因此，本文采用二維平面應(yīng)變有限元模型模擬BMGCs 變形行為。由于在試樣中增韌相(體積分?jǐn)?shù)υf= 45%) 隨機(jī)分布于基體中，故在有限元模型中增韌相的位置也采用隨機(jī)函數(shù)生成;增韌相形狀簡(jiǎn)化為圓形，與基體間結(jié)合完好。金屬玻璃基復(fù)合材料代表性體積單元的有限元模型如圖1 所示，模型的有限元網(wǎng)格如圖2 所示，采用CPE4 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元個(gè)數(shù)為2874。本文在有限元分析中對(duì)模型施加了簡(jiǎn)化的周期性邊界條件，參照文獻(xiàn)［22］，可以簡(jiǎn)單地描述為:

式中: δ1為沿x 方向施加的位移; C 為uy(x，l2) 的變形位移。

圖1 復(fù)合材料幾何模型

圖2 有限元模型網(wǎng)格單元

2 結(jié)果與討論

本文首先將有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所選有限元模型的合理性。然后分別假定增韌相表現(xiàn)率效應(yīng)和不表現(xiàn)率效應(yīng)，在這兩種情形下進(jìn)一步討論不同應(yīng)變率加載時(shí)復(fù)合材料中塑性應(yīng)變的分布以及剪切帶的萌生和演化規(guī)律，探討B(tài)MGCs 的率敏感性變形行為以及失效機(jī)理。

金屬玻璃基體和增韌相材料參數(shù)符號(hào)及說(shuō)明: EM為基體彈性模量; vM為基體泊松比; a 為幾何因子; ξ0表示初始自由體積濃度; v*為原子硬球體積; 令則表示征了金屬玻璃內(nèi)部原子振動(dòng)相關(guān)的特征時(shí)間;表重應(yīng)力; T 為實(shí)驗(yàn)溫度; x 為一個(gè)幾何參數(shù); E1為增韌相彈性模量; vI為增韌相泊松比; σy表示增韌相屈服強(qiáng)度; Ep為塑性模量; C 和p 為應(yīng)變率參數(shù)常量。

2.1 有限元模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)［23］對(duì)鋯基BMGCs 在室溫單軸壓縮加載下的率敏感性變形行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)變速率取值分別為2 ×10－4s-1、5 ×10-3s-1和1 ×10-2s-1。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，采用上述介紹的有限元模型對(duì)BMGCs 的率敏感性變形行為進(jìn)行有限元模擬分析，金屬玻璃基體和增韌相的相關(guān)材料參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［23 －24］和試錯(cuò)法確定，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 金屬玻璃基體及增韌相材料參數(shù)

圖3 為鋯基金屬玻璃基復(fù)合材料在室溫低應(yīng)變速率載荷下的模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比，對(duì)于加載應(yīng)變速率為2×10-4s-1和1×10-2s-1，模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線能較好地吻合，應(yīng)變速率為5 ×10-3s-1時(shí)模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在彈性段吻合較好，而塑性段的應(yīng)力模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值，故本文采用的有限元模型能合理描述文獻(xiàn)［23］中鋯基BMGCs 在不同應(yīng)變速率加載下的力學(xué)性能。

圖3 不同應(yīng)變速率下鋯基金屬玻璃基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 增韌相率效應(yīng)的影響

由于塊體金屬玻璃基復(fù)合材料中內(nèi)生樹(shù)枝晶相的力學(xué)性能無(wú)法單獨(dú)測(cè)得，本文分別考慮增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)和表現(xiàn)率效應(yīng)兩種情形。復(fù)合材料有限元模型及邊界條件與2.1 節(jié)一致，應(yīng)變速率取值分別為2 ×10-4s-1、5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1。

2.2.1 增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)

當(dāng)增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)，金屬玻璃基體和增韌相的參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 金屬玻璃基體及增韌相材料參數(shù)

圖4 為塊體金屬玻璃基復(fù)合材料在不同應(yīng)變速率下的模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線。根據(jù)Wang［8］的觀點(diǎn)，金屬玻璃基復(fù)合材料率敏感性由基體和增韌相的率敏感性共同決定，因此，當(dāng)增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)而金屬玻璃基體表現(xiàn)出正應(yīng)變率敏感性時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能也表現(xiàn)為正應(yīng)變率敏感性。從圖4 可知，隨著應(yīng)變速率的增大，復(fù)合材料的整體應(yīng)力水平也隨之增大。

圖4 不同應(yīng)變速率下金屬玻璃基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為BMGCs 在不同應(yīng)變速率下剪切帶萌生時(shí)的云圖，當(dāng)應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1、5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，剪切帶開(kāi)始萌生時(shí)的應(yīng)變值εxx分別為2.796%、2.925%和3.310%。由此可知，應(yīng)變速率越大剪切帶萌生得越晚。上述三個(gè)不同應(yīng)變率加載情形下，剪切帶萌生的位置相似，均為幾何模型應(yīng)力集中的尖角區(qū)域和兩相鄰增韌相之間。

圖5 金屬玻璃基復(fù)合材料在不同應(yīng)變速率下剪切帶萌生

圖6為加載應(yīng)變?chǔ)舩x= 6% 時(shí)金屬玻璃基體的von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖6(a) 和6(b) 可知，當(dāng)應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1時(shí)，剪切帶擴(kuò)展較慢，僅出現(xiàn)在幾何模型的右上角和左下角區(qū)域，且增韌相發(fā)生的塑性變形較均勻。由圖6(c) ～圖6(f) 可知，當(dāng)應(yīng)變速率為5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，剪切帶沿著與加載方向成45°向相鄰增韌相擴(kuò)展，并且有形成一條貫穿整個(gè)試樣的完整剪切帶的趨勢(shì)，同時(shí)在剪切帶擴(kuò)展路徑上的增韌相也發(fā)生較大的塑性變形。

圖6 應(yīng)變?yōu)棣舩x = 6% 時(shí)基體內(nèi)von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖7為加載應(yīng)變?chǔ)舩x= 10% 時(shí)金屬玻璃基體的von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。由圖7(a) 和7(b) 可知，當(dāng)應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1時(shí)，增韌相能夠很好地阻礙剪切帶的擴(kuò)展，并導(dǎo)致大量次級(jí)剪切帶萌生擴(kuò)展，基體內(nèi)出現(xiàn)多條分散的剪切帶。由圖7(c) ～7(f) 可知，當(dāng)應(yīng)變速率為5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，增韌相不能有效阻礙剪切帶的擴(kuò)展，此時(shí)基體內(nèi)已經(jīng)形成了一條完整的剪切帶，且位于剪切帶擴(kuò)展路徑上的增韌相發(fā)生了明顯塑性變形。

圖7 應(yīng)變?yōu)棣舩x = 10% 時(shí)基體內(nèi)von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

由上述分析可知，當(dāng)加載相同應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變速率越大，剪切帶擴(kuò)展得越快，越早形成一條貫穿整個(gè)試樣的完整的剪切帶，從而金屬玻璃基復(fù)合材料越容易發(fā)生破壞。

2.2.2 增韌相表現(xiàn)率效應(yīng)

當(dāng)增韌相表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)，金屬玻璃基體和增韌相參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 金屬玻璃基體及增韌相材料參數(shù)

由于金屬玻璃基體與增韌相均表現(xiàn)為正應(yīng)變率敏感性，故金屬玻璃基復(fù)合材料的力學(xué)性能也表現(xiàn)為正應(yīng)變率敏感性。如圖8 所示，復(fù)合材料整體力學(xué)性能隨應(yīng)變速率的增大而增大。

圖8 不同應(yīng)變速率下金屬玻璃基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

如圖9 所示，剪切帶開(kāi)始萌生的位置與圖4 相似，應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1、5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，金屬玻璃基體中剪切帶開(kāi)始萌生時(shí)的應(yīng)變值εxx分別為2.796%、2.995%和3.460%，與2.2.1 節(jié)中現(xiàn)象一致，加載的應(yīng)變速率越大，剪切帶萌生得越晚。

圖10 為加載應(yīng)變?chǔ)舩x= 6% 時(shí)金屬玻璃基體的von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。當(dāng)應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1時(shí)，剪切帶擴(kuò)展較慢，僅出現(xiàn)在幾何模型的右上角和左下角區(qū)域，且增韌相塑性變形也較小。當(dāng)應(yīng)變速率為 5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，剪切帶不僅出現(xiàn)在幾何模型尖角應(yīng)力集中區(qū)域，基體與增韌相之間的界面處也有剪切帶萌生，并向相鄰增韌相擴(kuò)展，同時(shí)位于剪切帶的擴(kuò)展路徑上的增韌相也發(fā)生了較大的的塑性變形。另外與增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)相比，增韌相表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)，金屬玻璃基體中剪切帶的擴(kuò)展速度較慢。

圖9 金屬玻璃基復(fù)合材料在不同應(yīng)變速率下剪切帶萌生

圖10 應(yīng)變?yōu)棣舩x = 6% 時(shí)基體內(nèi)von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖11為加載應(yīng)變?chǔ)舩x= 10% 時(shí)金屬玻璃基體的von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。當(dāng)應(yīng)變速率為2 ×10-4s-1時(shí)，基體內(nèi)分布有多條剪切帶，復(fù)合材料的變形比較均勻。當(dāng)應(yīng)變速率為5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，基體內(nèi)形成了一條完整的主剪切帶和多條次級(jí)剪切帶，位于剪切帶擴(kuò)展路徑上的增韌相也發(fā)生較大塑性變形。由圖10 和圖11 可知，應(yīng)變速率越大，剪切帶將擴(kuò)展得越快，使得材料越早發(fā)生破壞。

圖11 應(yīng)變?yōu)棣舩x = 10% 時(shí)基體內(nèi)von-Mises 等效剪切塑性應(yīng)變?cè)茍D和增韌相的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

對(duì)比圖11 與圖7 可知，在應(yīng)變速率為5 ×10-3s-1和1 ×10-1s-1時(shí)，金屬玻璃基體內(nèi)不僅已經(jīng)形成了一條完整的主剪切帶，同時(shí)有多條次級(jí)剪切帶開(kāi)始萌生擴(kuò)展，表明其變形局域化程度減弱。這主要是因?yàn)樵鲰g相表現(xiàn)正應(yīng)變率敏感性時(shí)，其應(yīng)力水平隨應(yīng)變速率增大而增大，從而增韌相能有效阻礙剪切帶的擴(kuò)展，并促進(jìn)多重次級(jí)剪切帶的萌生和擴(kuò)展，使得復(fù)合材料宏觀塑性變形能力得到提升。

圖12 為不同應(yīng)變速率加載下金屬玻璃基復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力對(duì)比。由圖12 可知，不論增韌相是否表現(xiàn)率效應(yīng)，復(fù)合材料峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變速率的增大而增大; 相同應(yīng)變速率加載下，增韌相表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)復(fù)合材料峰值應(yīng)力大于增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)時(shí)復(fù)合材料的峰值應(yīng)力。上述現(xiàn)象也證實(shí)了Wang［8］的觀點(diǎn)，復(fù)合材料率敏感性由金屬玻璃基體與增韌相共同決定。

圖12 不同應(yīng)變速率下金屬玻璃基復(fù)合材料的峰值應(yīng)力

3 結(jié) 論

本文利用有限元軟件ABAQUS 對(duì)金屬玻璃基復(fù)合材料率敏感性變形行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論:

(1) 本文采用的有限元模型能夠合理地描述不同應(yīng)變速率下塊體金屬玻璃復(fù)合材料的力學(xué)性能和率敏感性變形行為。

(2) 金屬玻璃基復(fù)合材料的率敏感性由金屬玻璃基體和增韌相的率敏感性共同決定，當(dāng)增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)而基體表現(xiàn)正應(yīng)變率敏感性時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能的正應(yīng)變率敏感性由基體主導(dǎo);當(dāng)增韌相和基體均表現(xiàn)正應(yīng)變率敏感性時(shí)，復(fù)合材料率敏感性由兩者共同決定，也表現(xiàn)為正應(yīng)變率敏感性。

(3) 不論增韌相是否存在率敏感性變形行為，當(dāng)加載應(yīng)變速率越大時(shí)，金屬玻璃基復(fù)合材料內(nèi)剪切帶萌生得越晚，但擴(kuò)展得越快，因此更早形成一條完整的貫穿于整個(gè)試樣的剪切帶，使材料越容易發(fā)生破壞。

(4) 相比增韌相不表現(xiàn)率效應(yīng)，當(dāng)增韌相表現(xiàn)正應(yīng)變率敏感性時(shí)，復(fù)合材料的局域化變形程度減弱，其宏觀塑性變形能力得到提升。