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Zr-Al-Ni-Cu-Hf塊體非晶合金的力學(xué)性能和釋能機(jī)理

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2024-12-19  瀏覽次數(shù)：2722
鋯基非晶合金具有大玻璃形成能力、高斷裂強(qiáng)度和高硬度，且處于能量亞穩(wěn)態(tài)，在沖擊載荷作用下，其組元中的Zr、Al等活性元素會和O2發(fā)生強(qiáng)烈的釋能反應(yīng)，產(chǎn)生侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)，具有制造新型含能破片的潛力。然而，由于鋯基非晶合金塑韌性較差，難以滿足破片在加速及釋能毀傷過程中的極端力學(xué)性能要求，直接用作破片可能會在爆炸載荷加速或著靶時(shí)就整體破碎，降低其后續(xù)穿甲釋能威力。因此開發(fā)出兼具大玻璃形成能力和一定塑韌性的鋯基非晶合金新成分是實(shí)現(xiàn)其在含能破片領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

研究人員以Zr-Al-Ni-Cu合金體系為研究對象，利用XRD、DSC、SEM及萬能試驗(yàn)機(jī)等測試分析了Hf替換Cu對Zr55Al10Ni5Cu30-xHfx(x=0、1、3、5、7、10，原子分?jǐn)?shù)，%)塊體非晶合金玻璃形成能力和性能的影響。結(jié)果表明，適量Hf元素對Cu元素的替換提高了Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金的玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性和壓縮塑性（圖1）。當(dāng)Hf含量為7%時(shí)，非晶合金具有12mm的最大臨界尺寸和85K的最大過冷液相區(qū)間。當(dāng)Hf含量為5%時(shí)，非晶合金具有13.3%的最大塑性應(yīng)變和1872.6MPa的最高斷裂強(qiáng)度，并且表現(xiàn)出明顯的“表觀硬化”和鋸齒流變現(xiàn)象，其中塑性應(yīng)變較原始成分獲得了顯著的提升（圖2-3）。采用真空壓鑄法制備了直徑9.4mm的Zr55Al10Ni5Cu25Hf5球形非晶破片，并對其進(jìn)行準(zhǔn)密閉箱沖擊超壓實(shí)驗(yàn)（圖4-5）。其沖擊釋能反應(yīng)規(guī)律為：沖擊釋能反應(yīng)隨著沖擊速率的增加而加劇。在600~1000m/s低速區(qū)間，破片超壓峰值隨沖擊速率的增加緩慢增大。在1000~1400m/s高速區(qū)間，破片超壓峰值隨沖擊速率的增加急劇增大。破片的臨界超壓速率約為600m/s，當(dāng)沖擊速率為1360m/s時(shí)，超壓峰值達(dá)到最大值0.3291MPa。Zr55Al10Ni5Cu25Hf5破片的能量釋放主要來自沖擊過程中其金屬組元與O2之間的燃燒反應(yīng)，且釋能效率具有速率相關(guān)性。在低速率區(qū)間內(nèi)，Zr55Al10Ni5Cu25Hf5破片的釋能效率隨撞擊速率的增加而緩慢增大，在高速率區(qū)間內(nèi)，釋能效率隨著速率的增加急劇增大。當(dāng)速率為1360m/s時(shí)，破片具有最大釋能效率63.17%，此時(shí)破片的能量密度為6.92kJ/g（圖6）。






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