基于分子動力學(xué)的CuZr非晶合金成形與連接研究.pdf

1、非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)、電磁學(xué)和化學(xué)性能，是一種極具應(yīng)用前景的金屬材料。然而這種優(yōu)異特性也造成了其較差的加工性能。非晶合金堅硬耐磨，傳統(tǒng)的切削加工無法適用于非晶合金，而熱加工工藝又面臨著晶化風(fēng)險。為了更好地利用非晶合金優(yōu)異性能，掌握非晶合金加工方法，將非晶合金成形和連接工藝相結(jié)合，制備形狀復(fù)雜、精度高的非晶合金零件是十分必要的。本學(xué)位論文采用分子動力學(xué)模擬上述兩種工藝，并對加工過程中非晶合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變、原子遷移規(guī)律以及材料內(nèi)部能量傳遞

2、進(jìn)行深入分析，嘗試通過動力學(xué)和熱力學(xué)理論來探討非晶合金加工工藝機(jī)理，為非晶合金的加工和應(yīng)用提供理論支撐。主要研究內(nèi)容包括：
　　(1)非晶合金制備過程研究。將熔融合金猝冷制備得到Cu46Zr54非晶合金，分析了非晶合金內(nèi)部原子排列情況，探究了其短程有序和中程有序結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明制備得到的樣品處于穩(wěn)定非晶態(tài)。進(jìn)一步從原子層面揭示了玻璃轉(zhuǎn)變過程中非晶合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變，探討了降溫速率對材料狀態(tài)以及玻璃轉(zhuǎn)化過程的影響，為研究非晶合金加工性

3、能打下了堅實基礎(chǔ)。
　　(2)非晶合金熱塑性成形加工過程研究。采用分子動力學(xué)從原子層面研究了非晶合金熱塑性變形和充型行為，揭示了非晶合金與模具邊界的粘附作用、流變機(jī)理、毛細(xì)力以及非晶合金特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)對熱塑性成形過程造成的影響，建立了充型過程理論模型，提出一種針對非晶合金熱塑性成形加工工藝的厚度選擇準(zhǔn)則，為熱塑性成形加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。同時，研究揭示了熱塑性成形過程中非晶合金微觀結(jié)構(gòu)演變行為機(jī)制，提出一種可行的改善非晶合

4、金塑性方法，通過擠壓流變改變非晶合金內(nèi)部原子排列，實現(xiàn)了材料塑性的提升。
　　(3)非晶合金和晶體鋁擴(kuò)散連接過程研究。研究了非晶相和晶相互擴(kuò)散過程，從原子層面揭示了擴(kuò)散連接過程中原子的運(yùn)動行為，提取了擴(kuò)散連接過程中各元素濃度及各相之間界面遷移速度，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散區(qū)域中部出現(xiàn)了異常的新相，而且互擴(kuò)散過程呈現(xiàn)出明顯非對稱性。由于擴(kuò)散連接過程的這種非均勻和非對稱性，傳統(tǒng)擴(kuò)散系數(shù)計算方法已不適用，為此提出了改進(jìn)的位移均方差函數(shù)法和玻耳茲曼-俁野

5、法，有效計算出擴(kuò)散過程中各元素稟性擴(kuò)散系數(shù)和互擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)合擴(kuò)散區(qū)域材料模量和玻璃轉(zhuǎn)化溫度數(shù)據(jù)，揭示了異常新相和非對稱擴(kuò)散成因。進(jìn)一步研究了擴(kuò)散偶中非晶相內(nèi)二十面體短程有序結(jié)構(gòu)和晶態(tài)相內(nèi)面心立方結(jié)構(gòu)分布情況，首次發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散過程中原子運(yùn)動行為會促使晶體材料連續(xù)相變：從晶態(tài)轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)，再在擴(kuò)散區(qū)域中部進(jìn)入過冷液態(tài)。這種過冷液體可以在焊接界面流動并適應(yīng)粗糙表面，最終避免了連接頭中出現(xiàn)空洞。該現(xiàn)象對加強(qiáng)焊接頭質(zhì)量、縮短焊接時間減小熱影響有著重要

6、意義。
　　(4)擴(kuò)散連接過程中非晶化過程研究。研究了非晶合金和晶體鋁之間界面演變及擴(kuò)散偶的結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)界面遷移是晶體鋁非晶化過程的具體表現(xiàn)，而非晶化過程還呈現(xiàn)出明顯各向異性，與接觸晶面剪切模量直接相關(guān)，表明剪切模量是影響非晶合金和鋁擴(kuò)散界面遷移速度的重要參數(shù)。進(jìn)一步研究擴(kuò)散過程中原子的遷移和交換行為，提出一種材料非晶化轉(zhuǎn)變過程中的原子交換模式，揭示了非晶化過程中銅原子和鋯原子的相互作用以及它們之間的協(xié)作機(jī)制，結(jié)合非晶化反應(yīng)界面處