Mg-(Cu,Ni)-(Gd,Nd)金屬玻璃的形成能力、力學(xué)和腐蝕行為.pdf

1、鎂合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料有著廣闊應(yīng)用前景。相對(duì)于普通鑄造鎂合金,由非平衡凝固獲得的Mg基塊體金屬玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)有著更高強(qiáng)度和比強(qiáng)度,展現(xiàn)了Mg基BMG的研究?jī)r(jià)值。BMG的形成能力、力學(xué)性能和耐蝕性是其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料所需重點(diǎn)關(guān)注的三個(gè)方面。本論文在Mg基BMG形成能力最佳的三元Mg-Cu-Gd合金系基礎(chǔ)上,通過(guò)添加過(guò)渡元素Ni和稀土元素Nd,開(kāi)發(fā)了玻璃形成能力尚可、塑性和強(qiáng)度較高、在NaCl溶液中耐蝕

2、性更好的Mg-Cu-Ni-Gd系和Mg-Ni-Gd-Nd系BMG,并制備出Mg-Ni-Gd-Nd內(nèi)生塊體非晶復(fù)合材料(Bulk Metallic Glass Composite,BMGC)使金屬玻璃的塑性和強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。采用合金熔體銅模澆鑄形成不同直徑圓棒樣品的方法,評(píng)價(jià)合金的玻璃形成能力和制備復(fù)合材料。利用X-射線、掃描電鏡、透射電鏡、熱分析等技術(shù)表征鑄態(tài)樣品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì):單向壓縮試驗(yàn)研究代表性合金的力學(xué)行為；析氫腐蝕、失重分析

3、、電化學(xué)測(cè)試等方法研究代表性合金在1wt.％NaCl溶液的腐蝕行為。主要研究結(jié)果如下:
　　 采用“3D”金屬玻璃成分設(shè)計(jì)方法全面研究了Ni元素對(duì)Mg-Cu-Gd系合金的玻璃形成能力的影響,表明隨著Ni含量增加,Mg-Cu-Ni-Gd玻璃形成能力逐漸降低。然而,Ni元素能有效提高M(jìn)g-Cu-Gd系金屬玻璃的斷裂強(qiáng)度和塑性。含少量Ni元素的Mg-Cu-Ni-Gd系金屬玻璃具有較好的綜合性能,其銅模澆鑄形成全玻璃結(jié)構(gòu)的最大圓棒直徑(

4、Critiacl Diameter,Dc)超過(guò)8 mm,斷裂強(qiáng)度高于900 MPa且具有塑性。進(jìn)一步,在塑性較好的Mg-Ni-Gd系金屬玻璃基礎(chǔ)上,通過(guò)添加Nd元素,開(kāi)發(fā)了塑性更好的Mg-Ni-Gd-Nd系金屬玻璃,該系金屬玻璃的塑性超過(guò)1％,并且Dc值可達(dá)5 mm,斷裂強(qiáng)度約為870 MPa,比強(qiáng)度高達(dá)2.75×105Nm/kg。
　　 研究Mg-Cu-Ni-Gd和Mg-Ni-Gd-Nd系BMG的力學(xué)行為發(fā)現(xiàn),在壓縮條件下,M

5、g基金屬玻璃可在三個(gè)不同的變形階段發(fā)生斷裂。第一個(gè)是彈性變形階段,在此變形階段金屬玻璃以解理方式斷裂而無(wú)塑性;第二個(gè)變形階段斷裂為解理和剪切混合方式斷裂,金屬玻璃有著一定的剪切塑性變形；第三個(gè)變形階段為穩(wěn)定剪切鋸齒塑性流變階段,在此變形階段金屬玻璃以剪切方式斷裂,有著明顯的塑性變形。鎂基金屬玻璃易在變形過(guò)程中產(chǎn)生解理裂紋,這是鎂基金屬玻璃變形過(guò)程中重要特征。降低鎂基金屬玻璃在變形過(guò)程中解理裂紋形核和擴(kuò)展的概率有利于其斷裂模式由解理斷裂向

6、剪切斷裂轉(zhuǎn)變,從而達(dá)到第三變形階段,塑性也相應(yīng)得到提高。
　　 Mg基金屬玻璃強(qiáng)度和塑性的尺寸效應(yīng)與斷裂方式相關(guān)。以解理方式斷裂的BMG,強(qiáng)度隨樣品直徑變小而增加,塑性為零,如Mg65Cu25Gd10 BMG；以剪切方式斷裂的BMG,強(qiáng)度保持相對(duì)恒定值,塑性隨樣品直徑變小而增加,如Mg75Ni15Gd5Nd5 BMG。提高M(jìn)g基金屬玻璃塑性有兩個(gè)層次:一個(gè)層次是避免金屬玻璃在第一或第二變形階段因解理裂紋形核和擴(kuò)展發(fā)生斷裂,使其達(dá)

7、到第三變形階段,也就說(shuō)使金屬玻璃達(dá)到純剪切塑性變形階段；另一個(gè)層次就是在達(dá)到第三變形階段之后,使金屬玻璃進(jìn)行穩(wěn)定的剪切鋸齒塑性流變。
　　 在含單一稀土元素Mg75Ni15Gd10合金基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加Mg含量并引入另一種稀土元素Nd,獲得了具有α-Mg相加非晶相兩相結(jié)構(gòu)的非晶復(fù)合材料Mg80Ni12Gd4Nd4,其屈服強(qiáng)度超過(guò)800 MPa,最高斷裂強(qiáng)度超過(guò)900 MPa,斷裂應(yīng)變達(dá)到4.3％。Mg80Ni12Gd4Nd4非晶復(fù)

8、合材料由～20％竹葉狀α-Mg相和～80％非晶基體組成；均勻分布于非晶基體中的竹葉狀相具有畸變6H類(lèi)型長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),含有Mg,Ni,Gd和Nd元素,這是首次在Mg-Ni-Gd-Nd系合金中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)相。竹葉狀α-Mg相可限制解理裂紋形核和擴(kuò)展,誘發(fā)剪切帶增殖并有效阻止剪切帶失穩(wěn)擴(kuò)展,且可自身發(fā)生塑性變形,從而提高非晶復(fù)合材料的塑性；非晶相能有效增加復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度,并且與竹葉狀相交互作用,使復(fù)合材料變形中產(chǎn)生加工硬化,斷裂強(qiáng)度增加。

9、
　　 在1wt.％NaCl溶液中,Cu和Ni共存的Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃的耐蝕性好于含單一過(guò)渡族元素Cu或Ni的Mg-Cu-Gd或Mg-Ni-Gd金屬玻璃:Mg-Ni-Gd-Nd金屬玻璃的耐蝕性好于Mg-Cu-Gd金屬玻璃。Mg-(Cu,Ni)-Gd金屬玻璃在NaCl溶液中表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為Mg(OH)2,該Mg(OH)2表面膜層的致密度受圓片狀Mg(OH)2的生長(zhǎng)方向和尺寸大小的影響,而Mg(OH)2的

10、生長(zhǎng)方向和尺寸大小又受Mg-(Cu,Ni)-Gd金屬玻璃所含元素種類(lèi)和含量的影響。相對(duì)于Mg-Cu-Gd和Mg-Ni-Gd金屬玻璃,Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃更好的耐蝕性本質(zhì)上可歸因于Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃表面所形成的更穩(wěn)定且更致密的Mg(OH)2腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體有效地保護(hù)。
　　 本研究開(kāi)發(fā)的綜合性能良好的Mg-Cu-Ni-Gd和Mg-Ni-Gd-Nd系金屬玻璃以及Mg-Ni-Gd-Nd非晶復(fù)合材料,具有作為高強(qiáng)度