鋯基塊體金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的研究.pdf

1、本文采用熔體快淬法制備了Zr-Cu系塊體金屬玻璃，研究了合金成分對(duì)Zr-Cu系金屬玻璃的非晶形成能力和力學(xué)性能的影響。通過成分調(diào)節(jié)，制備出了高強(qiáng)度、大塑性的Zr-Cu-Al三元和Zr-Cu-Ni-Al四元鋯基塊體金屬玻璃。進(jìn)而研究了鋯基塊體金屬玻璃的尺寸效應(yīng)、流變行為、結(jié)構(gòu)不均勻性和晶化行為。
　　首先，按照共晶理論，設(shè)計(jì)和制備了Zr-Cu二元、Zr-Cu-Al三元和Zr-Cu-Ni-Al四元塊體金屬玻璃，研究了合金成分對(duì)非晶形成

2、能力和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，對(duì)于ZrxCu100-x二元合金，鋯含量在（36~72.4at.％）范圍，均能形成非晶薄帶，隨著Zr含量的增加，過冷液相區(qū)寬度ΔTx和約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg先增后減，在鋯含量為50%時(shí)，ΔTx達(dá)到最大值54，非晶形成能力最強(qiáng)。在Zr-Cu二元合金研究的基礎(chǔ)上，選擇Zr72Cu28二元共晶成分，通過添加鋁元素研究了合金化元素鋁對(duì)(Zr0.72Cu0.28)100-XAlX非晶形成能力和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表

3、明，鋁原子的添加增加過冷熔體的化學(xué)復(fù)雜性，阻礙原子的擴(kuò)散從而提高了非晶形成能力。同時(shí)，非晶合金的強(qiáng)度和塑性也顯著提高。當(dāng)鋁含量為12at.%時(shí)，(Zr0.72Cu0.28)88Al12合金的綜合壓縮性能達(dá)到最高，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1773MPa，塑性應(yīng)變率提高到7.45%。進(jìn)一步在(Zr0.72Cu0.28)88Al12三元合金的基礎(chǔ)上，通過鎳元素取代部分銅元素并調(diào)整鋁含量制備出的（Zr0.72（Cu0.59Ni0.41）0.28）88Al1

4、2非晶合金具有大塑性和高強(qiáng)度，塑性變形率為37.5%，極限強(qiáng)度達(dá)到2340MPa。
　　其次，研究了(Zr0.72Cu0.28)88Al12三元和(Zr0.72(Cu0.59Ni0.41)0.28)88Al12四元非晶合金的尺寸效應(yīng)。考察了(Zr0.72Cu0.28)88Al12三元合金的尺寸效應(yīng)。直徑為2mm的試樣室溫強(qiáng)度和塑性應(yīng)變率分別為1585MPa和9.23%，直徑為3mm的試樣其抗壓強(qiáng)度和塑性應(yīng)變率分別達(dá)到1773MPa

5、和7.45%。直徑為4mm和6mm試樣強(qiáng)度變化不大但塑性變形率幾乎變?yōu)榱??？疾炝司哂惺覝卮笏苄缘?Zr0.72(Cu0.59Ni0.41)0.28)88Al12非晶合金的尺寸效應(yīng)，其中直徑3 mm試樣的壓縮塑性應(yīng)變率為37.5%，表現(xiàn)室溫大塑性,直徑為4 mm試樣塑性應(yīng)變率為8.2%，6 mm試樣塑性應(yīng)變率為1.0%。結(jié)果表明，隨著試樣尺寸增大，兩種合金塑性變形率單調(diào)減小表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，尺寸效應(yīng)與合金的冷卻過程和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，試樣

6、越小，冷卻速率越高,所凍結(jié)的自由體積就越多，相應(yīng)的塑性越大。制備了Cu50Zr42Al8錐形試樣，研究了合金不同直徑處的組織和微觀力學(xué)行為，分析了尺寸效應(yīng)和裂紋自愈合行為。結(jié)果表明，復(fù)合材料組織中包括非晶基體相、金屬間化合物AlCu2Zr相、奧氏體B2-ZrCu相和熱致馬氏體B19’-ZrCu相。納米壓痕結(jié)果表明，單一非晶結(jié)構(gòu)的試樣心部硬而表面較軟，呈現(xiàn)越小越軟趨勢(shì)，而較大尺寸的非晶復(fù)合材料由于析出相的存在，心部軟而表面較硬。形狀記憶晶

7、相由TRIP效應(yīng)對(duì)非晶基體增強(qiáng)增韌，而AlCu2Zr相析出使基體脆化。經(jīng)150 ℃+10mins退火后，微觀壓痕產(chǎn)生的裂紋表現(xiàn)出自愈合行為。加載時(shí)，形變誘導(dǎo)B2奧氏體向B19’馬氏體相轉(zhuǎn)變并伴隨著體積的膨脹，而高于逆轉(zhuǎn)變溫度退火，B19’轉(zhuǎn)變?yōu)锽2相，體積收縮并在組織應(yīng)力作用下驅(qū)動(dòng)裂紋愈合。
　　然后，本文通過對(duì)不同尺寸的(Zr0.72(Cu0.59Ni0.41)0.28)88Al12四元非晶合金鋸齒流變特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)，研究了鋸齒流

8、變特征參數(shù)與合金宏觀塑性的關(guān)系。結(jié)果表明，非晶合金的塑性與鋸齒流變特征參數(shù)之間有明顯的關(guān)系，鋸齒個(gè)數(shù)N的最大值越大且分布特征呈單調(diào)下降趨勢(shì)，金屬玻璃的宏觀塑性也越大?？疾炝瞬煌叽绲?Zr0.72(Cu0.59Ni0.41)0.28)88Al12非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性及其與室溫壓縮力學(xué)性能的關(guān)系。在透射電鏡下觀察到大塑性試樣中具有豐富的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)著明顯的成分不均勻分布，而脆性試樣沒有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且成分均勻分布。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，證明Z

9、r-Cu系非晶合金在微米尺度上具有結(jié)構(gòu)不均勻性。我們認(rèn)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由于原子排列方式不同形成的，即非晶態(tài)合金內(nèi)部存在兩種不同的原子排列區(qū)域，原子排列緊密的區(qū)域（硬區(qū)）和原子排列疏松的區(qū)域（軟區(qū)）。非晶合金中的軟區(qū)在受力條件下更容易被激活，成為剪切帶的核，誘發(fā)剪切帶的萌發(fā)與產(chǎn)生，從而使合金在室溫下具有大塑性。
　　最后，研究了非晶合金的晶化行為。由于非晶合金的亞穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，在外部環(huán)境如溫度和應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生馳豫甚至晶化現(xiàn)象。本文選擇Cu

10、46Zr44Al5Nb5非晶合金作為對(duì)象，研究了Zr-Cu系非晶合金變溫晶化行為和等溫晶化行為。運(yùn)用Kissinger法和 FWO法分別計(jì)算出各特征激活能和階段激活能，考察了不同加熱速度下晶化體積分?jǐn)?shù)和晶化溫度、晶化激活能的關(guān)系，并繪制了TTT曲線并計(jì)算非晶形成的臨界冷卻速率。結(jié)果表明，運(yùn)用Kissinger法得到玻璃轉(zhuǎn)變激活能Eg為231.96kJ/mol、晶化初始激活能Ex為351.39 kJ/mol、晶化峰的激活能Ep為401.3