基于團簇加連接原子模型的Zr-Ni-Al系塊體金屬玻璃成分設(shè)計和力學(xué)性能研究.pdf

1、成分設(shè)計和力學(xué)性能研究是塊體金屬玻璃研究的基礎(chǔ)問題。開發(fā)具有大玻璃形成能力和高強度、大塑性的塊體金屬玻璃是該領(lǐng)域的研究目標(biāo)之一。團簇加連接原子模型作為一種成分設(shè)計思想，已被成功應(yīng)用到許多體系的塊體金屬玻璃成分設(shè)計中。該模型將金屬玻璃看作由團簇和連接原子兩類結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，團簇為基于特定原子的第一近鄰配位多面體，而連接原子填補團簇間的間隙，相應(yīng)的，金屬玻璃的成分與結(jié)構(gòu)信息可用團簇成分式統(tǒng)一表述成:[團簇]（連接原子）x～1，3。本論文以該模

2、型為指導(dǎo)，系統(tǒng)研究了Zr-Ni-Al三元基礎(chǔ)非晶體系合金的玻璃形成能力和力學(xué)性能，并從團簇加連接原子模型角度探討了該體系塊體金屬玻璃合金的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。同時，對Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多組元Zr基塊體金屬玻璃的力學(xué)性能進行了研究。論文主要內(nèi)容如下:
　　首先，基于團簇加連接原子模型，從Zr-Ni-Al系金屬玻璃的三種常見晶化相——(-)Al2NiZr6、NiZr2(NiTi2-type)和NiZr2(Al2Cu-t

3、ype)中提取可代表各相結(jié)構(gòu)特征的三類團簇(即CN11 Ni3Zr9、CN12 Ni4Zr9和CN10 Ni3Zr8)作為基礎(chǔ)團簇，建立團簇式進行成分設(shè)計，獲得三個系列合金成分:Ni3Zr9Alx、Ni4Zr9Alx和Ni3Zr8Alx，x=1、1.5、2、3，同時，類比配制Ni3Zr6Alx、Ni3Zr7Alx和Ni3Zr10Alx系列合金作為比較成分。利用不同內(nèi)徑銅模通過真空吸鑄法制備上述六系列合金的鑄態(tài)合金棒，對其進行結(jié)構(gòu)和熱分析

4、測試與表征。結(jié)果表明，除Ni3Zr6Al3成分外，其余合金金屬玻璃形成的臨界直徑都達到3mm以上。其中，Ni4Zr9Al2（即Zr60Ni26.7Al13.3，at％）玻璃形成能力最佳，其形成玻璃的臨界直徑達10mm，在同等制備條件下高于已報道的Zr60Ni25Al15最優(yōu)成分;其過冷液相寬度⊿Tx、約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg和γm值分別為68 K、0.579和0.689，也優(yōu)于Zr60Ni25Al15(⊿Tx=68 K，Trg=0.568

5、，γm=0.676)。進一步電子濃度和團簇式解析表明，Ni4Zr9Al2符合基于Ni3Zr9團簇加三個連接原子的金屬玻璃通用團簇式:[Ni3Zr9](Al2Ni)。
　　其次，3mm樣品的室溫壓縮和維氏硬度結(jié)果表明，隨Al、Ni含量的增加，Zr-Ni-Al塊體金屬玻璃的屈服強度σy、楊氏模量E和維氏硬度Hv增大。同時發(fā)現(xiàn)，這些合金的力學(xué)性能與其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg、晶化溫度Tx、摩爾體積V以及原子密度ρa存在密切關(guān)聯(lián)。依據(jù)電子濃度和金

6、屬玻璃通用團簇式判據(jù)，總體上可將本文涉及的Zr-Ni-Al塊體金屬玻璃成分分成兩種類型:一種是基于Ni3Zr9團簇加三個連接原子團簇式的;另一類屬于Ni3Zr8團簇加一個連接原子的形式;結(jié)合元素間混合焓數(shù)據(jù)，可估算各合金三類鍵合的相互作用強度I，分別為:團簇的中心原子與殼層原子間的鍵合Icenter-shell、相鄰團簇殼層原子間的鍵合Ishell-shell和連接原子與殼層原子鍵合Iglue-shell。研究表明Zr-Ni-Al塊體金

7、屬玻璃的力學(xué)性能與其鍵合參數(shù)（1/Icenter-shell+1/Ishell-shell+1/Iglue-shell）呈良好的線性關(guān)聯(lián)，其中最弱的Ishell-shell是決定塊體金屬玻璃力學(xué)性能的主因。據(jù)此，本論文提出一種并聯(lián)彈簧振子模型闡釋了金屬玻璃的結(jié)構(gòu)與其強度間的關(guān)聯(lián)。
　　最后，研究了滿足Ni4Zr9團簇加一個連接原子團簇式的Zr基Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多元塊體金屬玻璃的力學(xué)性能。探討了合金化元素Nb對Zr6

8、5Al10Ni10Cu15塊體金屬玻璃力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究了(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3塊體金屬玻璃在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的熱學(xué)與力學(xué)性能。結(jié)果表明，Nb的加入可有效提高合金屈服強度并影響變形能力，其中含2at.％ Nb的塊體金屬玻璃室溫變形能力最高，其壓縮時的塑性變形達12.7％。(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3塊體金屬玻璃經(jīng)退火處理，導(dǎo)致其玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)并引發(fā)初始晶化溫度下降和過冷液相區(qū)變窄，而屈服