块体金属玻璃基复合材料细观本构模型研究

To study the mechanical behavior and constitutive models of bulk metallic glasses composites, in this work, the tensile,compressive and uniaxial cyclic deformation of the ductile phase/bulk metallic glasses matrix composites as well as the micromechanisms are investigated by systemic macroscopic and microscopic experiments.The effects of microstructures on mechanical behavior are also concerned by experiments and finite element simulation. And then based on the free volume model and homogenization method, a meso-mechanical constitutive model is established to describe the tensile and compressive deformation of the material, in which parameters about toughen mechanism and microstructures characteristic are introduced. Furthermore, the loading/unloading rule and cyclic hardening/softening rule are considered in this constitutive model to describe the uniaxial cyclic deformation of the material.The achievement of this research will enrich the understanding of the mechanical behavior in bulk metallic glasses composites, and accelerate the engineering application of this material. Simultanuously, the models established in this work will be able to provide the theoretical basis to design metallic glasses composites structure components and estimate their life. So this research will have an important theoretical significance and engineering value.

针对金属玻璃基复合材料力学行为以及本构模型研究方面的不足，通过系统的宏观和微观实验研究，了解第二相增韧金属玻璃基复合材料的单调拉伸、压缩以及单轴循环变形的特征和微观机理，并结合有限元模拟讨论不同微结构特性对复合材料力学行为的影响；进而在自由体积模型以及均匀化理论的基础上，引入能够反映复合材料增韧机理以及微结构特征的参数，同时考虑循环变形中的加卸载规律以及循环软/硬化规律，在细观层次得到一个能够合理描述复合材料单轴拉伸、压缩以及循环变形行为的本构模型。研究结果将会丰富对块体金属玻璃基复合材料的力学行为的认识，促进该材料在工程结构中的应用，同时又可为该类材料构件的设计以及寿命评估提供理论基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

金属玻璃独特的微观结构使得其具有许多优良的力学性能，然而它所表现出来的宏观脆性严重限制了其在工程结构上的应用。为了增加金属玻璃的韧性，研究者们在金属玻璃中引入晶体相，制备出既具有高强度又具有良好韧性的金属玻璃基复合材料。由于金属玻璃复合材料具有良好的力学性能，因此具有广阔的应用前景。针对目前金属玻璃基复合材料力学行为以及本构模型研究方面的不足，本项目首先通过宏观实验、微观观察以及纳米压痕实验，了解金属玻璃基复合材料的单调拉伸、压缩以及单轴循环变形的特征和变形以及失效机理。然后借助UMAT用户子程序将改进的自由体积模型引入ABAQUS软件，建立了二维和三维的代表性体积单元，模拟了金属玻璃基复合材料在单轴拉伸和压缩载荷作用下的变形过程，讨论了颗粒体积分数、形状、分布规律以及材料参数等微结构参数对复合材料中剪切带的演化以及复合材料韧性的影响。进而基于自由体积模型，引入能够有效反映纳米孔洞形核和汇聚的演化方程，在连续介质热力学框架下构建了一个能够合理描述金属玻璃失效的三维本构模型；最后采用广义Mori-Tanaka（M-T）方法和二次均匀化方法，构建了一个能够合理描述金属玻璃基复合材料变形和局部失效行为的细观本构模型，对金属玻璃基复合材料在单调拉伸和压缩时的应力-应变行为及失效行为进行了合理地描述和预测。项目的研究结果丰富了对块体金属玻璃基复合材料的力学行为的认识，所建立的本构模型可为该类材料构件的设计以数值分析提供理论基础，促进金属玻璃基复合材料在工程结构中的应用，具有重要的理论意义和工程应用价值。