航空航天用金属玻璃材料问世

德国萨尔州大学研究人员开发出一种新的非晶态金属钛硫合金，这种合金也称为金属玻璃，其性能与常规钛合金完全不同，特别适合用作航空航天的轻质部件。这一成果获得大学知识与技术转化中心颁发的发明人奖。材料研究类似于数以千计的拼图游戏，如果没有找到合适的开始部分，要想获得完整的图片就非常困难。萨尔州大学3名博士研究生亚历山大·库巴、贝内迪克·博希特勒和奥利弗·格罗斯在导师拉尔夫·布希教授的指导下，经过多年实验，终于研制出一种强度非常高而又非常轻的合金。

钨纤维增强金属玻璃复合材料弹穿甲钢靶的实验研究

为具体研究钨纤维增强金属玻璃复合材料的力学特性及其穿甲自锐特征,开展了相应的准静态和动态力学实验,并用火炮开展了复合材料弹体撞击钢靶的穿甲实验,同时利用金相分析对材料失效模式进行了较系统的识别和分类,并同静动态实验数据进行比较分析,最后开展了材料自锐剪切失效的机理讨论。实验获得了复合材料的静动态力学特性及其自锐穿甲的形貌,相关分析显示,材料的变形具有明显的应变率效应,在复合材料弹体侵彻/穿甲过程中,弹体的破坏方式主要表现为局域化的剪切变形和断裂,并呈现出4种自锐剪切失效模式,增强钨纤维也表现出3类失效破坏模式。

陶瓷颗粒增强Mg_(65)Cu_(20)Zn_5Y_(10)块体金属玻璃复合材料

在块体玻璃形成合金Mg65Cu20Zn5Y10中添加10％(体积分数)的SiC或15％的TiB2陶瓷颗粒,经铜模浇铸形成块体金属玻璃复合材料.这些第二相颗粒的引入对基体合金的玻璃形成能力未产生明显的不良影响.陶瓷第二相颗粒弥散分布于金属玻璃基体上.复合材料的轴向压缩断裂强度达到1 GPa,为Mg65Cu20Zn5Y10块体金属玻璃的1.2倍. Mg65Cu20Zn5Y10块体金属玻璃的断裂发生于弹性形变阶段,断裂前几乎观察不到塑性形变.与之相对照,含有TiB2颗粒的复合材料断裂前可表现出约0.9％的塑性应变.

化学组成对微晶玻璃/金属复合材料性能的影响

研究了一种新型装饰材料—微晶玻璃/金属复合材料。在微晶玻璃与金属基体复合过程中,基础玻璃组分的选择对两者结合质量有较大的影响,借助XRD、DTA及各种性能测试手段对基础玻璃及微晶玻璃和复合材料试样进行了研究,结果表明,ZnO/Al2O3>1组成的微晶玻璃与金属达到了良好的匹配,具有较好的结合强度。

制备条件对Zr基大块金属玻璃复合材料组织与性能的影响

分别采用低压铸造/水冷铜模急冷成形和熔体水淬的方法制备了Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5内生β相/BMG基体复合材料,表征了材料的微观组织特性,测试了材料的室温压缩性能。结果表明,复合材料的微观组织特性,包括β相的体积分数、形貌和尺寸等,对其制备条件是非常敏感的。不同的制备方法、不同的试样形状与尺寸提供了不同的熔体冷却速率。相对低的熔体冷速导致了更多、更粗大的β相的形成;复合材料的室温压缩性能取决于其微观组织特性,多而粗大的β相使材料的宏观塑性应变明显增加。

含有等轴枝晶的塑性大块金属玻璃复合材料

利用低压铸造/水冷铜模急冷成形装置,制备Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5大块金属玻璃(BMG)基体内生复合材料。铸态试样外观尺寸为50mm×50 mm×3 mm,具有bccβ-Zr固溶体/玻璃基体两相微观组织。其中,β相为细小等轴状树枝晶,体积分数约20%,平均成分为Zr64.66Ti15.40Nb15.13Cu2.90Ni1.90。DSC曲线显示,基体的玻璃转变温度(Tg)、晶化反应开始温度(Tx)和过冷液相区宽度(ΔTx)分别为619,664和45K。室温压缩时,复合材料断裂前的纯塑性应变达到7%,并具有1800 MPa的极限断裂强度。

块体快凝金属基SiO_2-B_2O_3玻璃复合材料制备新思路

利用玻璃相不触发过冷合金熔体形核及凝胶玻璃高温稳定性的特点,首次提出将深过冷快速凝固技术、sol-gel玻璃制备技术和合金元素界面吸附理论相结合,制备出以纳米级网状SiO_2-B_2O_3凝胶玻璃作为增强相、具有快凝材料特性的块体金属基SiO_2-B_2O_3玻璃复合材料的新思路。

金属预处理对微晶玻璃/金属复合材料结构的影响

微晶玻璃/金属复合新型装饰材料是一种具有绿色环保、质轻、方便安装、装饰性强等多种优良性能的复合材料。在微晶玻璃与金属基体复合过程中,金属基体的表面处理及预氧化处理对两者结合质量有较大的影响。本文借助SEM及电子探针等测试手段从微观角度对金属基体进行了研究,并初步探讨了金属基体的氧化机理。

熔体处理温度对块体金属玻璃基复合材料组织和力学性能的影响

在水冷铜坩埚中采用铜模吸铸法在不同的熔体处理温度下制备出直径3 mm的(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4合金试样,研究了熔体处理温度对(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4块体金属玻璃基复合材料的力学性能和组织的影响。结果表明,熔体处理温度降低,复合材料的晶化趋势增加,压缩断裂强度和塑性应变增加。铸造电压7 kV时制备的试样其塑性应变达5.85%,并呈明显的"加工硬化"现象,压缩断裂强度达到2 203 MPa。通过调控熔体处理温度,制备出铸态内生球形金属间化合物/块体金属玻璃基复合材料,而且铸态内生球形金属间化合物相在不降低复合材料的断裂强度的同时却能显著地改善复合材料的塑性,并对其增塑机制进行了分析。

铸态内生塑性晶体相/大块金属玻璃基体复合材料

在分析单相BMG典型力学行为的基础上,综述内生塑性晶体相/BMG复合材料的微观组织的形成机制、塑性晶体相对复合材料室温塑性影响以及制备状态对晶体相微观组织及复合材料室温塑性的影响等方面的研究成果。

新型高强度金属玻璃材料的研发

日本东北大学（Tohoku University）金属材料研究学院教授Inoue研究开发的“金属玻璃”具有极高的抗拉强度和弹性应变。众所周知，当金属固体系统原子排列无序时，即当金属呈非晶态状态时，金属的强度和抗腐蚀能力增强。人们一直认为，要想得到非晶态组织，必须快速冷却熔化的金属，因此要得到大块非晶态合金组织极为不易。但是，Inoue教授不用快速冷却熔化的金属，却成功地制造出世界第一个大块金属玻璃。

化学组成对微晶玻璃/金属复合材料性能的影响

本文介绍了一种新型装饰材料——微晶玻璃/金属复合材料。在微晶玻璃与金属基体复合过程中,基础玻璃组分的选择对两者结合质量有较大的影响。用XRD、DTA及相关测试手段对基础玻璃、微晶玻璃和复合材料试样进行了研究,结果表明:ZnO/Al2O3(质量比)>1时,微晶玻璃与金属达到了良好的匹配,具有较高的结合强度。

钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能研究

结合穿甲实验,基于复合材料细观有限元模拟,系统开展针对钨纤维增强金属玻璃复合材料分段弹体侵彻性能的研究,并与复合材料长杆弹进行对比分析。结果表明,相对于复合材料长杆弹显著的穿甲"自锐"行为和优异的侵彻性能,复合材料分段弹体在侵彻过程中的"自锐"特性有所减弱,且弹体结构容易发生分散,进而导致弹体侵彻能力明显降低。另外,分段数目和分段间隔等因素对复合材料分段弹体的侵彻性能具有一定影响,但总体而言,不同构型分段弹体的侵彻能力均弱于复合材料长杆弹。

可加工硅碱钙石微晶玻璃/金属铜功能梯度材料(英文)

采用粉末冶金法经1000℃烧结制备了可加工硅碱钙石微晶玻璃/金属铜功能梯度复合材料(functionally gradient materials,FGM),其中金属含量(质量分数)为0,20%,40%,60%,80%和100%,呈非对称梯度变化。通过金相显微镜、扫描电镜、X射线电子能谱等分析了材料的微观结构和微区元素含量,用万能材料试验机测试了复合材料的弯曲强度。结果表明:硅碱钙石微晶玻璃/金属FGM的结构呈宏观不均匀且微观连续变化,微晶玻璃相与金属粉末相结合紧密,两相均相对独立,两者之间没有发生化学反应;随着金属粉末含量的增加,硅碱钙石微晶玻璃/金属功能梯度复合材料中各梯度层的热膨胀系数和力学性能逐渐变化。

金属玻璃复合材料压缩增韧的微结构机理

通过数值模拟研究了块体金属玻璃复合材料(BMGCs)在压缩破坏时的微结构效应,分别讨论了颗粒体积分数、颗粒尺寸、颗粒形貌、颗粒团聚和热残余应力对金属玻璃复合材料压缩韧性的影响。在模拟过程中,使用等效塑性应变作为一个内部状态变量,通过剪切破坏准则来描述BMGCs中剪切带的诱发、演化和主剪切带的形成过程,利用单元删除技术描述剪切带到微裂纹的转变过程。数值模拟结果显示上述因素都对剪切带的形成和发展有不同程度的阻碍效应,从而影响了BMGCs的压缩增韧效果。上述工作将有助于理解金属玻璃的破坏机理和BMGCs的增韧设计。

Wf/Zr基复合材料长杆弹在不同速度下的头形转变规律

目的预测金属玻璃复合材料长杆弹在不同撞击速度下的侵彻/穿甲性能,为优化弹体撞击速度和弹体头部形状等提供理论指导。方法结合相关侵彻试验,基于细观有限元建模及修正的热力耦合本构模型,开展了钨纤维增强金属玻璃复合材料长杆弹在不同速度下侵彻钢靶的有限元模拟,分析了不同速度下复合材料弹体破坏模式的差异,讨论了撞击速度对复合材料弹体头部形状变化影响规律及其内在机理。结果低速撞击条件下,复合材料长杆弹体头部的钨纤维发生剧烈的屈曲弯折变形,弯折钨纤维堆积在头部,形成较厚的“边缘层”,且存在1~2条剪切带,弹体头部表现为“细长尖卵”形状;随着撞击速度逐渐增加,弹体头部钨纤维的弯折变形程度逐渐有所降低,“边缘层”厚度也有所减小,且外侧钨纤维开始发生屈曲回流,头形逐渐转变为“短粗尖卵”形状,且尖锐程度随撞击速度增加而降低;在高速撞击条件下,弹体头部“边缘层”显著变薄,同时最外侧钨纤维发生屈曲回流,弹体头部表现为“扁平”形状。结论撞击速度对复合材料弹体的头部变形及破坏特征具有重要影响。随着速度增加,复合材料弹体头部形状逐渐从“细长尖卵”转变到“短粗尖卵”,最后变为“扁平”。

块体金属玻璃基复合材料在拉伸荷载下的剪切带演化模拟

利用随机吸附算法构建了块体金属玻璃基复合材料的三维多颗粒单胞模型;借助自由体积本构模型,可以较好地描述块体金属玻璃变形中剪切带的萌生与扩展;引入周期性边界条件,保证了单胞模型应力及位移的连续性同时避免过度约束;在商业软件ABAQUS中对块体金属玻璃基复合材料在单轴拉伸载荷下的变形行为进行了有限元模拟,与实验结果进行对比验证了本文所采用的有限元模型的准确性,同时分析了材料变形过程中其内部剪切带的萌生及扩展演化规律。通过改变单胞模型中颗粒的体积分数、颗粒大小以及颗粒强度构建了不同微结构特征的块体金属玻璃基复合材料的细观模型,从而模拟研究了复合材料的细观结构对其拉伸载荷下剪切带的演化及变形行为的影响。

金属玻璃基复合材料的变形行为及本构关系研究综述

金属玻璃及其复合材料因其优良的力学性能而具有良好的应用前景,相关研究方兴未艾.本文主要总结国内外的研究成果并结合本课题组的最新研究工作,针对块体金属玻璃基复合材料的变形行为、增韧机理和本构关系研究现状进行较为全面的综述.首先,对近几十年来在块体金属玻璃基体材料的变形行为与失效机理以及本构关系研究方面的丰硕成果进行简要回顾.其次,从实验研究和数值模拟两方面,重点对金属玻璃基复合材料的变形行为与失效机理研究成果进行介绍,总结了金属玻璃基复合材料的塑性变形、增韧机理及影响因素.然后,对金属玻璃基复合材料的本构关系研究最新进展进行评述,重点介绍了均匀化方法在该领域的应用.作为代表,较为详细地介绍了作者新近提出的一个二次均匀化的方法,并在此基础上,结合纳米孔洞作为自变量的失效判据而建立了本构模型,该模型对金属玻璃基复合材料的变形和失效行为进行了合理预测.最后,对该领域的研究现状进行简单的总结,并对未来的研究问题进行展望.

玻璃-金属丝网双层材料散射特性研究

本文分析一个简化的金属腔体的散射特性,腔体开口用玻璃封闭,玻璃外表面用金属丝网覆盖。金属材料通常会增加目标的雷达散射截面,但是如果金属丝网网孔大小选择得当,其对雷达散射截面的影响将会非常小。本文采用高阶基函数和并行计算技术进行求解,可以大大降低问题未知量扩大矩量法的工程应用范围。