铁基软磁块体非晶合金纳米压痕蠕变行为与其脆度参数和矫顽力的相关性研究

块体非晶合金以其特有的结构和物理化学性能，近年来引起了国内外的广泛关注。其液态结构-固态结构的关联及它们如何影响固态的宏观物性至今还没有得到完全理解，从而制约了这类材料的研制及应用。为此，本申请项目以具有广阔应用前景的铁基软磁块体非晶合金为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，针对上述问题进行系统而定量的工作。我们的研究内容包括4个方面：(1)建立分数阶导数流变模型模拟纳米压痕蠕变曲线，进而得到能反映固态分形结构特征的蠕变参数；(2)基于拟合的蠕变位移时间曲线，计算纳米压痕蠕变过程中的应力和应变速率；(3)基于自由体积框架，建立测试剪切转变区的活化体积大小和特征应变的方法；(4) 基于自由体积、磁弹耦合及势能形貌等理论并结合矫顽力和脆性指数实验数据，建立蠕变参数与脆性指数及矫顽力的定量关系。本项目的研究将有利于澄清非晶形成机理及其与性能的关系，具有重要的学术价值和应用价值。

非晶合金的结构、形变机制至今还没有得到完全理解，从而制约了这类新颖材料的应用。本项目以多种体系的块体非晶体合金为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，针对上述问题进行了系统而定量的工作。主要研究内容包括6个方面：(1)建立分数阶导数流变模型、模拟纳米压痕蠕变曲线和加载曲线及得到关联非晶合金结构信息的蠕变参数。(2)计算纳米压痕蠕变的应力和应变率。(3)建立测试剪切转变区体积大小的方法。(4)屈服点前的室温黏弹性行为分析。(5)屈服点后的室温蠕变行为分析。(6)模拟和计算结构及性能参数。本项目重要结果包括以下7个方面：(1)基于外加载荷作用下非晶合金微结构呈现分形生长，采用具有分形特征的分数阶黏壶来刻画非晶合金中的“核-壳”单元的黏弹和黏塑性变形行为；采用分数阶Kelvin模型模拟非晶合金的黏弹性变形行为；采用分数阶Kelvin模型串联分数阶黏壶模拟非晶合金屈服点后的蠕变变形；基于提出的分数阶导数流变模型，推导了纳米压痕蠕变过程和加载过程中载荷与位移或位移与时间的关系式。(2)Pd40Cu30Ni10P20、Zr48Cu32Ni4Al8Ag8、Zr48Cu34Pd2Al8Ag8和Fe43.2Co28.8B19.2Si4.8Nb4块体非晶合金的剪切转变区体积分别为0.7243、0.6974、0.6917和0.6795 nm3。(3)分数阶Kelvin模型比传统Kelvin模型更适合模拟本研究所涉及的块体非晶合金屈服点前的粘弹性行为。基于合金的蠕变曲线和加载曲线，对分数阶导数流变模型参数进行了拟合分析，确定了分数阶次α；α呈现加载速率敏感性，并与该合金的蠕变应力指数变化趋势相反；α与外载荷作用下的非晶合金结构演变关联。(4)基于材料结构特点及均匀化方法，建立了计算等效弹性常数的理论模型，结合有限元对钨丝增强锆基块体非晶复合材料的等效弹性常数进行了计算，结果与相关实验数据吻合很好。(5)在Cu-Zr-Al块体非晶合金中，以Al为中心的稳定团簇所占的比例及其在空间中的连接决定了该合金微结构的非均匀性和原子的扩散能力。(6)弹性模量的非均匀性影响Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金球形纳米压痕下的应力和应变分布。(7)证实并解释了原子力纳米压痕和常规纳米压痕下的压痕尺寸效应。本项目的研究将有利于澄清非晶合金变形机理与结构及性能的关系，具有重要的学术价值和应用价值。

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