Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.10a
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pp.54-54
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2003
We have developed a Cu-based bulk amorphous composite reinforced with a micron-sized crystalline phase, the (Cu60Zr30Ti10)95Ta5 amorphous matrix composite. The composite demonstrates the ultimate strength of 2332 MPa with a dramatically enhanced fracture strain of 15.3 %. Macroscopic observation of the fractured (Cu60Zr30Ti10)95Ta5 amorphous matrix composite showed the development of multiple shear bands along with numerous branching and deflection of shear bands. Microscopic observation on the amorphous matrix of the composite showed that cracks propagate through the residual amorphous matrix located between nanocrystallites, which had formed during deformation. Simulations based on finite element method were conducted to understand the formation mechanisms of multiple shear bands, the initiation site of shear bands, and interaction of shear bands with crystalline particles. Other microscopic fracture mechanism responsible for the enhanced plasticity was discussed.
Zr-based amorphous alloy matrix composites reinforced with metallic continuous fibers were fabricated by liquid pressing process, and their fracture properties were investigated by directly observing microfracture process using an in situ loading stage installed inside a scanning electron microscope chamber. About 60 vol.% of metallic fibers were homogeneously distributed inside the amorphous matrix. Apparent fracture toughness of the stainless-steel- and tungsten-fiber-reinforced composites was lower than that of monolithic amorphous alloy, while that of the Ta-fiber-reinforced composite was higher. According to the microfracture observation, shear bands or cracks were initiated at the amorphous matrix, and the propagation of the initiated shear bands or cracks was effectively blocked by fibers, thereby resulting in stable crack growth which could be confirmed by the fracture resistance curve (R-curve) behavior. This increase in fracture resistance with increasing crack length improved fracture properties of the fiber-reinforced composites, and could be explained by mechanisms of formation of multiple shear bands or multiple cracks at the amorphous matrix and blocking of crack or shear band propagation and multiple necking at metallic fibers.
This study reviews dynamic deformation behavior of ultra-fine-grained Al alloys, ultra-fine-grained conventional low carbon steel and dual phase steel and Zr-based amorphous alloys. Dynamic tests were conducted using a Kolsky bar then the test data was analyzed in relation to resultant microstructures, mechanical properties and propensity of adiabatic shear band. In addition, deformed microstructures and fracture surfaces were used to investigate the behavior of both the dynamic deformation and fracture, and adiabatic shear banding. As a result, increasing microstructural homogeneity, strain hardenability and forming multiple shear bands could be a better way to increase the fracture resistance under dynamic loading as the formation of adiabatic shear bands was reduced or prevented.
Zr-based amorphous alloy matrix composites reinforced with tantalum continuous fibers were fabricated by liquid pressing process, and their microstructures and mechanical properties were investigated. About 60 vol.% of tantalum fibers were homogeneously distributed inside the amorphous matrix, which contained a small amount of polygonal crystalline particles. The ductility of the tantalum-continuous-fiber-reinforced composite under tensile or compressive loading was dramatically improved over that of the monolithic amorphous alloy, while maintaining high strength. The consequential observation of the tensile deformation and fracture behavior of the composite showed the formation of multiple shear bands and multiple necking, crack deflection in the amorphous matrix, and obstruction of crack propagation by ductile fibers, thereby resulting in very high tensile elongation of 7.2%. These findings suggested that the liquid pressing process was useful for the development of amorphous matrix composites with improved ductility.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.10
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pp.1630-1635
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2003
The deformation and fracture behaviors of a bulk amorphous metal, Zr-based one (Zr$\_$41.2/Ti$\_$13.8/Cu$\_$12.5/Ni$\_$10/Be$\_$22.5/: Vitreloy), were investigated over a strain rate range (7x10$\^$-4/~4 s$\^$-1/). The uniaxial compression test and the indentation test using 3mm-diameter WC balls were carried out under quasi-static loading conditions. As a result, at the uniaxial compressive state, the fracture stress of the material was very high (~1,700MPa) and the elastic strain limit was about 2%. The fracture strength showed a strain rate independent behavior up to 4 s$\^$-1/. Using indentation tests, the plastic deformation behavior of the Zr-based BAM up to a large strain value of 15% could be achieved, even though it was the deformation under locally constrained condition. The Meyer hardness of the Zr-based BAM measured by static indentation tests was about 5 GPa and it revealed negligible strain hardening behavior. At indented sites, the plastic indentation occurred forming a crater and well-developed multiple shear bands were generated around it along the direction of 45 degree when the indentation load exceeded 7kN. With increasing indentation load, shear bands became dense. The fracture surface of the specimen after uniaxial compressive tests showed vein-like pattern, typical morphology of many BAMs.
The Zr-based bulk metallic glass matrix composites of a mixture of gas-atomized metallic glass powders and Fe-based nanostructured powders were fabricated by spark plasma sintering. The Fe-based nanostructured powders adopted for the enhancement of plasticity were well distributed in the matrix after consolidation, and the matrix remains as a fully amorphous phase. The successful consolidation of metallic glass matrix composite with high density was attributed to viscous flow in the supercooled liquid state during spark plasma sintering. Unlike other amorphous matrix composites, in which improved ductility could be obtained at the expense of their strength, the developed composite exhibited improvement both in strength and ductility. The ductility improvement in the composite was considered to be due to the formation of multiple shear bands under the presence of the Fe-based nanostructured particles.
Zr-based amorphous alloy matrix composites reinforced with tantalum continuous fibers were fabricated by the liquid pressing process, and their anisotropic mechanical properties were investigated by tensile and compressive tests of $0^{\circ}$(longitudinal)-, $45^{\circ}$-, and $90^{\circ}$(transverse)-orientation specimens. About 60 vol.% of tantalum fibers were homogeneously distributed inside the amorphous matrix, which contained a small amount of polygonal crystalline particles. The ductility of the tantalum-continuous-fiber-reinforced composite under tensile or compressive loading was dramatically improved over that of the monolithic amorphous alloy, while maintaining high strength. When the fiber direction was not matched with the loading direction, the reduction of the strength and ductility was not serious because of excellent fiber/matrix interfacial strength. Observation of the anisotropic deformation and fracture behavior showed the formation of multiple shear bands, the obstruction of crack propagation by fibers, and the deformation of fibers themselves, thereby resulting in tensile elongation of 3%~4% and compressive elongation of 15%~30%. These results suggest that the liquid pressing process was useful for the development of amorphous matrix composites with excellent ductility and anisotropic mechanical properties.
Detailed mapping along the Keumwang fault reveals a complex history of multiple brittle reactivations following late Jurassic and early Cretaceous ductile shearing. The fault core consists of a 10~50 m thick fault gouge layer bounded by a 30~100 m thick damaged zone. The Pre-cambrian gneiss and Jurassic granite underwent at least six distinct stages of fault movements based on deformation environment, time and mechanism. Each stage characterized by fault kinematics and dynamics at different deformation environment. Stage 1 generated mylonite series along the Keumwang shear zone by sinistral ductile shearing during late Jurassic and early Cretaceous. Stage 2 was a mostly brittle event generating cataclasite series superimposed on the mylonite series of the Keumwang shear zone. The roundness of pophyroclastes and the amount of matrix increase from host rocks to ultracataclasite indicating stronger cataclastic flow toward the fault core. At stage 3, fault gouge layer superimposed on the cataclasite generated during stage 2 and the sedimentary basins (Umsung and Pungam) formed along the fault by sinistral strike-slip movement. Fragments of older cataclasite suspended in the fault gouge suggest extensive reworking of fault rocks at brittle deformation environments. At stage 4, systematic en-echelon folds, joints and faults were formed in the sedimentary basins by sinistral strike-slip reactivation of the Keumwang fault. Most of the shearing is accommodated by slip along foliations and on discrete shear surfaces, while shear deformation tends to be relatively uniformly distributed within the fault damage zone developed in the mudrocks in the sedimentary basins. Fine-grained andesitic rocks intruded during stage 4. Stage 5 dextral strike-slip activity produced shear planes and bands in the andesitic rocks. ESR(Electron Spin Resonance) dates of fault gouge show temporal clustering within active period and migrating along the strike of the Keumwang fault during the stage 6 at the Quaternary period.
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