Laserchock peening på zr-baserat metalliskt glas och dess effekt på plasticitet: experiment och modellering | vetenskapliga rapporter

Laserchock peening på zr-baserat metalliskt glas och dess effekt på plasticitet: experiment och modellering | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Karakterisering och analytiska tekniker
  • Design, syntes och bearbetning

Abstrakt

De Zr-baserade metallmetallglaset (BMG) är en ny familj av attraktiva material med god glasbildande förmåga och utmärkta mekaniska egenskaper, såsom hög hållfasthet och god slitstyrka, vilket gör dem kandidater för strukturella och biomedicinska material. Även om BMG: s mekaniska beteende har undersökts i stor utsträckning förstås deras deformationsmekanismer fortfarande dåligt. Särskilt hämmar deras dåliga duktilitet avsevärt deras industriella tillämpning. I det nuvarande arbetet visar vi att duktiliteten hos Zr-baserade BMG med nästan noll plastisitet förbättras med en laserchock-peening-teknik. Dessutom kartlägger vi fördelningen av laserinducerade restspänningar via skärningssättet med mikrofack och förutsäger dem sedan med hjälp av en tredimensionell finit-elementmetod i kombination med en begränsad plasmamodell. En rimlig överenskommelse uppnås mellan experimentella och modellerande resultat. Analyserna av serrated flöden avslöjar riklig och användbar information om den underliggande deformationsprocessen. Vårt arbete tillhandahåller ett enkelt och effektivt sätt att utöka mjukheten hos iboende spröda BMG, vilket öppnar upp bredare tillämpningar av dessa material.

Introduktion

Eftersom bulkmetallglas (BMG) utvecklades 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 har betydande ansträngningar gjorts för att studera deras plastiska deformationsbeteenden under olika belastningslägen, inklusive nanoindentation, kompression och böjningsförsök 10, 11, 12 . Plastflödet i metallglas anses allmänt vara relaterat till bildandet av lokala skjuvband. I BMG-prover laddade i uniaxial spänning inträffar sprickinitiering och förökning nästan omedelbart efter bildandet av det första skjuvbandet 13 . Som ett resultat uppvisar BMG väsentligen noll duktilitet i spänning och begränsad plasticitet i kompression 14 .

Det rapporterades nyligen att duktiliteten för Vitreloy 1 (Vit-1) BMG [Zr 41, 25 Cu 12, 5 Ni 10 Ti 13, 75 Var 22, 5, atomprocent (vid%)] kan förbättras genom att kontrollera restspänningar 14 . Skottkalkade BMG visar den ökade plasticiteten i böjning och komprimering på grund av den minskade sannolikheten för ytkrackning och mer homogen deformation inducerad av en hög population av skjuvband 14 . Jämfört med konventionell skrotning, som introducerar restspänningar i avstånd av storleksordningen hundratals mikron 15, är laserchock-peening-processen (LSP) förmåga att införa restspänningar till mycket större djup (millimeter) i metaller och andra material 16, 17 . Flera forskningsaktiviteter har gjorts på metallglas med laser-ytbehandling 18, 19, 20, 21 . För att förbättra mekaniska egenskaper kan laserbehandling introducera kristallina faser och göra de glasartade legeringarna till BMG-kompositer. Till exempel Tariq et al. fann att ythårdheten hos BMG kan förändras av kristallina partiklar bildade under laserpulsbestrålningen 18 . Fornell et al. rapporterade att hårdhet som erhållits i nanoindentationstester kan avstämmas genom att kontrollera omfattningen av den inducerade kristallisationen med användning av olika laserintensiteter 19 . Wu et al. fann att plaststammen hos den CuZr-baserade BMG förlängs genom laserytbehandlingen genom inbäddning av mikro- eller nanokristaller 20 . Förutom ovanstående tre fall rapporterades laser-ytsmältning, tillsammans med heliumstråleflödet vid höga kylningshastigheter, för att kunna förbättra BMG: s komprimeringsplastik utan kristallisation 21 . I den aktuella studien rapporterar vi en LSP-process med vatteninneslutning och Al-beläggning för att införa kompressiva restspänningar i BMG-materialet, för att undersöka i vilken utsträckning denna process kan förbättra BMG: s plasticitet utan införande av kristallfaser under komprimeringstest. Vårt arbete tillhandahåller ett enkelt och effektivt sätt att förlänga mjukheten hos intrinsiskt spröda BMG, följt av en serie avancerade experimentella karakteriseringar, teoretiska analyser och modellering. Dessutom skulle LSP-processen kunna införa stora magneter av återstående spänningar och lämna en slät yta och kan automatiseras och fullt utvecklas inom industrin. Genom att ta dessa fördelar förväntas det nuvarande arbetet påskynda kommersialiseringen av BMG, bredda deras tekniska tillämpningar och så småningom förbättra vårt dagliga liv med sina unika egenskaper.

I LSP-processen (figur S1, experimentella detaljer i metodavsnittet) bestrålar en högenergilaser diskontinuerligt målytan, vilket alstrar en högtrycksplasmechockvåg varje puls, som koncentreras till provet av vatteninneslutningen 22, 23 . När tryckvågen sprider sig in i underlagsmaterialet som en chockvåg, kan kompressiva återstående spänningar införas djupt i ytområdet 24, vilket i sin tur kan förbättra materialets utmattningsbeteende och slitstyrka. För att skydda underlaget från den termiska skador som kan uppstå under LSP-processen och för att förbättra absorptionen av laserenergi appliceras vanligen ett Al-beläggningsskikt på ytan.

Med tanke på att spänningsmätningen på BMG genom röntgendiffraktion inte är lika genomförbar och exakt som på kristallina material, användes en fokuserad jonstråle (FIB) mikroslits skärningsteknik (μSC) för att mäta den återstående spänningen i lasern -spenad BMG, med en rumslig upplösning på tiondelar av en mikron 25, 26, 27 . Med användning av schemat som visas i Fig. La, mättes återstående spänningsfördelningen på det laserpennade Vit-105 BMG-provet, Zr 52, 5 Cu 17, 9 Ni 14, 6 Al 10, 0 Ti 5, 0 (vid%) och på en yta vinkelrätt mot skrämd yta. För att kartlägga spänningarna gjordes en serie av mikrolitsar med en storlek på 15 × 2 × 0, 4 μm 3 på provytan (fig. 1b) med FIB: en av en dubbelstrålad fältemissionskanon som skannar elektronmikroskop / fokuserad jonstråle (FEGSEM / FIB) instrument 25 . För att mäta förskjutningsfältet orsakat av varje mikroslot applicerades ett mönster av nano-Pt-punkter lokalt av den FIB-assisterade avsättningen (Fig. 1c) 26 . Deformationsfälten i närheten av slitsar rekonstruerades därefter genom den digitala bildkorrelationen (DIC) av FEGSEM-foton inspelade under fräsning (fig. 1d). Eftersom varje slits har en kilform och en ändlig längd, sluts de resterande spänningarna genom att anpassa ett referensförskjutningsfält erhållet från finit-elementmodellen (FEM) med det inspelade förskjutningsfältet 25 . På detta sätt har restspänningsfördelningar kännetecknats som en funktion av avståndet från den laserpipade ytan till ett djup av 1 200 mikrometer med en rumslig upplösning av 30 mikrometer (som uppstår från avståndet mellan slitsarna se fig 1c). Restspänningar mättes på detta sätt för den gjutna BMG, efter mekanisk polering och efter laserskärning.

Image

Metoden för skärning av mikrofack. ( a ) Schematisk av mätningar av restspänning på sidan av provets laserchock som är täckt på den övre ytan, ( b ) Avläsning av elektronmikroskopi (SEM) -bild som visar en serie mikroslitsar införda i provets sida, ( c) ) SEM-bild som visar det slumpmässiga Pt-dot-mönstret avsatt i närheten av en 0, 4 μm bred mikroslits, och ( d ) ett förskjutningsfält (indikerat med pilar som är proportionella mot deformationen) utifrån analysen av digital bildkorrelation (DIC) .

Bild i full storlek

För att beräkna utbredningen av chockvågen i provet och därmed förutsäga återstående spänningsfördelning på målmaterialet har en ny tredimensionell (3-D) FEM utvecklats (detaljer i det kompletterande materialet). FEM-beräkningsproceduren för restspänningar förklaras i figur S4. Plasmatrycket och andra parametrar läggs först in i ABAQUS / Explicit och beräkningar utförs tills mättnaden av plastisk deformation har inträffat i målet. Beräkningen i ABAQUS / Explicit stoppas sedan, och den deformerade kroppen med all spänning, belastning och förskjutningstillstånd importeras till ABAQUS / Standard för att bestämma restspänningsfältet vid ett statiskt jämviktstillstånd. För en överlappande LSP-process med flera stötar blir restspänningen och töjningstillstånd från den första påverkan den initiala påkänningen och töjningstillståndet för materialet för den andra påverkan. Materialtillståndet importeras tillbaka till ABAQUS / Explicit, och därefter upprepas analysförfarandet 28, 29 . Inom denna procedur kan både enkelskottet och överlappande LSP hanteras framgångsrikt. Beräkningskostnaden minskas också avsevärt genom att kombinera ABAQUS / Explicit och ABAQUS / Standard 24 . Därefter jämfördes de experimentellt uppmätta restspänningsdata och modellprognoserade resultat. Dessutom analyserades den serrerade plastflödesregimen i spänning-töjningskurvan 30, och den statistiska skillnaden mellan kompressionsresultaten för de laserbehandlade och gjutna proverna extraherades.

Resultat

Variationerna i de uppmätta restspänningarna efter laserpenning som en djupfunktion beskrivs i fig 2 (den röda hellinjen). Den högsta kompressionsspänningen (810 MPa) uppstår på ett djup av cirka 50 μm. Observera att restspänningen för en liten provstorlek kan sänkas på grund av bristen på begränsning, jämfört med ett tjockare prov. Det är också anmärkningsvärt att spänningen når en platå på –300 MPa på ett djup på cirka 300 μm. Mätningar på de gjutna proverna visar att tillverkningsprocessen ger upphov till en kompressiv restspänning på −40 MPa nära ytan, och att dessa spänningar kan stiga till mellan −110 och −400 MPa efter mekanisk polering. Följaktligen verkar det som om de resterande spänningarna som mäts på provets polerade sidor på avstånd större än 300 μm från den täckta ytan beror på provberedning.

Image

Restspänningar för bulkmetallglasprov (BMG) -prov (Vit-105) efter LSP till en effekttäthet av 8, 64 GW / cm jämfört med modellsimuleringar, ( a ) förutsatt att det inte finns någon belastningsgradeffekt, och ( b ) inklusive töjningshastighet mjukgörande vid höga töjningshastigheter. Den kompressiva platån anses vara restspänningstillståndet infört av ytpreparatet före mikroslitsning. Färgerna på simulerade spår motsvarar de i figur 1a.

Bild i full storlek

I enlighet med de förhållanden som studerats för mätningen av återstående spänning beaktades en lasertrafiktäthet av 8, 64 GW / cm ^ i modelleringsarbetet. De återstående spänningarna som förutses av vår FEM visas i fig. 2a. Djupet för den kompressiva återstående spänningszonen efter LSP förutspås vara cirka 300 μm, vilket är i god överensstämmelse med det effektiva djupet på 300 μm uppmätt experimentellt. Den förutsagda maximala restspänningen på −830 MPa längs mittspåret är mycket nära det maximala värdet för −820 MPa uppmätt. Vissa skillnader kan observeras för restspänningar längs olika spår på grund av överlappande effekt av laserbehandlingen.

De komprimeringsmekaniska testresultaten visas i fig. 3a för de avskalade och opåträngda proverna. Det är uppenbart att plasticiteten och sprickstyrkan hos BMG-provet förbättras vid LSP. Observera att en minskning av kurvens lutning med en laserkraft på 9 GW / cm 2 kan orsakas av den deformationsinducerade mjukningen i det laserpennade skiktet 14, 31 . När man tittar närmare på det serrerade flödesregimet är plaststammen av laserbehandlade prover ungefär 5 ~ 7 gånger större än för det gjutna provet. Även om mekanismen för spänningsflödesserrering i metallglas fortfarande är oklar är den nästan säkert kopplad till skjuvbandets förökning 32, 33 . Föreliggande resultat antyder att skäraband nära ytan som introduceras genom laserskärning (figur S2) tillsammans med tillhörande kompressiva återstående spänningar kan hindra katastrofisk utbredning av makroskjuvband, vilket gör att ett mer homogent fördelat nätverk av skjuvband kan utvecklas, vilket är fördelaktiga för homogenisering av plastisk deformation.

Image

Resultaten av komprimeringstestning för gjutna och laserbehandlade BMG-prover ( a ) spänning-töjningskurva betecknad med lasereffektdensiteten och plaststammen (alla prover sprickade vid respektive kurvs högra ändpunkt) och ( b ) log-log-plot av den komplementära kumulativa fördelningen (CCDF) av stress-droppstorlekar i serrationsregimen för spänning-töjningskurvan

Bild i full storlek

Vidare studerade vi serreringsregimen i spänning-töjningskurvan och den komplementära kumulativa fördelningsfunktionen (CCDF) för spänningsfall, såsom beskrivs i fig. 3b. Varje stressfall representerar ett snedskred och orsakas av förskjutning av skjuvband. När det gäller energi hänför sig skjuvbandets utbredning och gripning till perioder med elastisk energiutlösning respektive ackumulering. Serrationerna, eller spänningsfallet, i spänning-töjningskurvorna ses, varhelst stressen plötsligt sjunker från ett högre till ett lägre värde. CCDF, C (S) för spänningsfallstorlekarna S , ger antalet spänningsfall som är större än eller lika med en storlek S , N (S) , dividerat med det totala antalet ( N totalt ) av spänningsfall som observerats i experimentet (se referens 30 för mer information), som kan uttryckas som:

Image

Denna definition antyder att C (S) avtar monotoniskt med C (S = 0) = 1 och C (S = S max ) = 1 / N totalt, där S max är det största spänningsfallet som observerats i experimentet. Det framgår av fig. 3b att det totala antalet halkar (det ömsesidiga värdet för det högra ändvärdet i CCDF-kurvan, dvs 670 för det gjutna fallet, 180 för 7 GW / cm2 och 140 för 9 GW / cm 2 ) minskar för högre laserkrafter. Även i det gjutna spröda fallet verkar intervallet av glidstorlekar sträcka sig till mindre glidstorlekar än vad som observerats för de laserbehandlade proverna.

Diskussion

(1) Olikt från tidigare arbete applicerades en 100 μm aluminiumbeläggning på ytan för att undvika den värmeinducerade nanokristallisationen och hydratiseringen av provet. När laserpulsen med tillräcklig intensitet bestrålar ytan, förångas aluminiumfilmen och bildar högtrycksplasmchockvågor. På grund av den korta energideponeringstiden (cirka 6–20 ns) är diffusionen av den termiska energin bort från interaktionszonen begränsad till ett par mikron och föredras att vara mindre än aluminiumbeläggningens tjocklek (100 mikrometer) ) för att upprätthålla skyddet. Därför ligger den lokala temperaturen på ytan av BMG fortfarande runt rumstemperatur. Under detta tillstånd sker ingen värmeinducerad nanokristallisation av den glasartade strukturen. Under tiden kan vattnet vara superuppvärmt, om laserintensiteten är tillräckligt hög, och vattennedbrytningen kan till och med hända, i vilken vattnet skulle joniseras, och en plasma för vattennedbrytning skulle kunna bildas. I det nuvarande arbetet är emellertid lasereffektdensiteten mindre än 10 GW / cm2. Tröskeln för vattenuppdelning är cirka 30 W / cm 2 för fallet som undersöktes 34 . Dessutom spelar aluminiumbeläggningen också som ett skyddande skikt mellan glaset och vattnet. Som ett resultat är det omöjligt för diffusion av väte i glaset.

(2) Det tidigare arbetet 14 på den mer inneboende-duktila Vit-1 BMG fann att skrotning förbättrade den kompressiva plastförlängningen från 6% (det gjutna provet) till 11% (efter avskalning av skott). Här har duktiliteten för Vit-105 förlängts från 0, 137% till 0, 505% och 0, 744% genom laserpenning vid 7 GW / cm2 respektive 9 GW / cm2. Graden av plastisk deformation tenderar att öka, då laserkraftens densitet ökas från 7 GW / cm2 till 9 GW / cm2. Samtidigt ökar sprickstyrkorna också från 1 745 MPa för det gjutna tillståndet till 1 869 MPa och 1 834 MPa för 7 GW / cm2 respektive 9 GW / cm2.

(3) CCDF-plottet enligt fig. 3b visar klart skjuvbandsprocessen och de olika deformationsmekanismerna i de gjutna och laserbehandlade proverna. Det är rimligt att förvänta sig att de laser-peining-inducerade skjuvbanden uppför sig som befintliga skjuvband vid ytan (figur S2) och underlättar initieringen av ytterligare deformation på dessa platser i komprimeringstesterna. Med andra ord, dessa skjuvband rymmer deformationen och minskar risken för att skjuvband börjar på andra platser. Däremot, för gjutna prover, kommer nya skjuvband att kärnas ut på fler platser utan de befintliga skjuvbanden. Emellertid kommer det primära skjuvbandet (längs sprickriktningen) att dominera under deformationsprocessen, vilket resulterar i relativt korta livslängder för dessa nya skjuvband. Därför kommer fler små halkar att finnas för gjutna prover än för laserbehandlade prover. Denna trend överensstämmer med resultaten som visas i fig. 3b, där de gjutna proverna tydligt har fler små glidningar än de laserbehandlade proverna. Samtidigt hindrar de laserinducerade kompressiva återstående spänningar spridningsbandets utbredning under den uniaxiella belastningen och förlängs således den elastiska energiackumuleringsperioden före "plastisk" deformation med glidning. Kombinationen av de ovannämnda faktorerna bidrar till den större plastisiteten för laserskrapade prover, återigen i överensstämmelse med fig. 3b, vilket visar att de laserbehandlade proverna har färre glider som i genomsnitt är större än i de gjutna proverna. Denna mekanism bekräftas följaktligen av resultaten i fig. 3b.

(4) Det bör noteras att beläggningens och underlagsmaterialets dynamiska beteende spelar en viktig roll i chockvågens förökning och utveckling av restspänningar. I LSP-processen kan den typiska töjningshastigheten vara så hög som 10 7 s -1 . Således ökas den dynamiska sträckgränsen för beläggningsmaterialet avsevärt på grund av de töjningshastighetshärdande effekterna som införs av LSP. Här beskriver vi det dynamiska beteendet hos beläggningsmaterialet med Johnson-Cook-modellen 35 :

Image

där σ är flödesspänningen, A = 120 MPa, B = 300 MPa, C = 0, 1, och n = 0, 35 är materialkonstanter för aluminiumbeläggningen 36, ε är plaststammen,

Image
representerar töjningshastigheten, och
Image
är den effektiva plastiska töjningshastigheten för det kvasistatiska testet som används för att bestämma materialkonstantema ovan. Tidigare arbete 37 har visat att toppavkastningsspänningen varierar något med töjningshastigheten upp till 1 000 s -1 vid låga temperaturer (minst 295 K och 473 K) för Zr-baserade Vit-1 BMG, som har en liknande kemisk sammansättning till Vit-105. Från den termodynamiska aspekten, typiskt för LSP, avlägsnas beläggningsskiktet (t.ex. Al), vilket förhindrar en avsevärd ökning av substratets temperatur, varför termiska effekter försummas i vår modell. Således kan substratet (t.ex. Vit-105 BMG) modelleras som ett elastiskt plastmaterial utan en signifikant töjningshastighetseffekt.

(5) För att bedöma påverkan av töjningshastighet på avkastning och därmed det laserskrapade återstående spänningstillståndet, uppskattar vi spänningens töjningskurva baserat på resultaten 38 upp till en töjningshastighet på ~ 5 000 / s, eftersom det inte finns några tillgängliga data för töjningshastigheten så hög som 10 7 / s. De återstående spänningarna efter LSP beräknades om med användning av denna töjningshastighetsmjukande effekt, och resultaten presenterades i fig. 2b. Det förutsagda djupet för den kompressiva restspänningszonen efter LSP ökas från cirka 300 till 450 mikrometer (relativt det statiska fallet, Fig. 2a) beroende på LSP-spåret på grund av töjningshastighetens mjukningseffekt 38 . Bortsett från denna funktion liknar förutsägelserna de för det statiska fallet, till exempel för att förutsäga en maximal spänning på –800 MPa mellan 50 och 100 μm från ytan (Fig. 2b).

(6) När man beaktar förutsägelserna bör det komma ihåg att den konstitutiva modellen för BMG-materialet i det aktuella arbetet kanske inte är tillräckligt noggrann eftersom experimentella data med hög belastning inte är tillgängliga. De tillgängliga experimentella uppgifterna löper ut vid 5 000 / s, vilket är mycket mindre än de maximala töjningshastigheter som normalt observeras i LSP (~ 10 7 / s). Därför kan töjningshastighetsmjukgörande beteende hos BMG under LSP underskattas. Som anges i ref. 38-41, 39, 40, 41, kan temperaturökningen inuti skjuvbandet införa töjmjukning vid höga töjningshastigheter, vilket ytterligare kan öka djupet i det kompressiva området efter LSP. Framför allt ger den nuvarande studien nya metoder för att förbättra BMG: s plasticitet och styrka genom både experimentella och teoretiska modelleringseffekter. Den kombinerade experimentella och teoretiska strategin för laserbehandlingar kan öppna stora möjligheter att bearbeta BMG med önskade egenskaper för applikationer.

Sammanfattningsvis introducerades restspänningar och lokal plastisk deformation framgångsrikt i det Zr-baserade BMG-provet med LSP, vilket demonstreras av mätningar av restspänning och modelleringsinsatser. Ökningar i plasticitet och styrka observerades i BMG-provet och beror troligen på närvaron av kompressiva återstående spänningar och bildandet av lokala skjuvband. Det förväntas att dessa tillvägagångssätt med lönsamhet kan användas för att försena spänningen vid vilken plastflödet börjar och därmed förbättrar mjukheten hos BMG: er.

metoder

Provberedning

Den Zr-baserade BMG Vit-105 (Zr 52, 5 Cu 17, 9 Ni 14, 6 Al 10, 0 Ti 5, 0 i atomprocent, vid%) framställdes genom bågsmältande blandningar av rena Zr, Cu, Ni, Al och Ti-metaller i ett argon atmosfär. Provet sugs gjutas och skärs i rektangulära stänger med måtten 4 × 2 × 2 mm 3 . Efter noggrant polering belades fyra sidoytor (4 × 2 mm 2 ) med en 100 μm tjock aluminiumtejp.

Laserchock peening

BMG-provet med 4 × 2 x 2 mm belades med en ablativ Al-tejp innan den placerades i en vattentank och chockerades med användning av en laservåglängd av 1 064 nm och en pulslängd på 6 ns med effektdensiteten från 5 GW / cm2 till 10 GW / cm 2 . Laserstråldiametern inställdes på cirka 1, 25 mm, och överlappningsförhållandet valdes att vara 50%. Tre på varandra följande spår av peening applicerades på ytan med ett avstånd av 0, 625 mm mellan spårets mittlinjer. I denna studie används prover med en behandlad yta för mätningar av restspänning och för jämförelse med modellprognoser, medan alla fyra ytorna laserpässades för komprimeringstesterna. Observera att fyra-sidiga peening kan introducera den multipaxiella restspänningen av chockvågen på den uppmätta ytan och komplicera mätningen. Så en sida-peening utförs för att visa en tydlig trend för djupprofilen för restspänningar införda med laser.

Kompressionsexperiment

Testerna genomfördes med en töjningshastighet av 2 × 10-4 / s och rumstemperatur med användning av en MTS-servohydraulisk testmaskin som kontrollerades av en dator. Tre grupper av prover testades, vilka är gjutna, behandlade med lasereffektdensiteter av 7, 0 GW / cm2 respektive 9, 0 GW / cm2. För varje prov behandlades de fyra sidosidorna med samma effektdensitet.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Cao, Y. et al. Laserchock Peening på Zr-baserat bulk Metallic Glass och dess effekt på plasticitet: Experiment och modellering. Sci. Rep. 5, 10789; doi: 10.1038 / srep10789 (2015).

Kompletterande information

Word-dokument

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.