鋯基大塊非晶合金室溫塑性變形行為及表面性能研究.pdf

1、大塊非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)、物理及化學(xué)性能，具有巨大的潛在應(yīng)用價值。然而，承壓載荷下其塑性變形通常不到2％，而拉伸載荷時延伸率幾乎為零，脆性嚴(yán)重制約了大塊非晶合金作為工程結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。材料（包括非晶合金）的磨損、腐蝕與大多數(shù)的斷裂都與其表面性能密切相關(guān)。因此，系統(tǒng)研究大塊非晶合金室溫塑性變形行為，對建立完善的非晶合金塑性形變機制以獲得高塑性變形能力的非晶合金具有重要的科學(xué)價值；開展大塊非晶合金表面摩擦磨損特性以及離子注入表面強化改

2、性研究以提高其表面綜合性能，對促進(jìn)其工程應(yīng)用也具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 本文采用銅模真空吸鑄法制備出不同尺寸的Zr62.55Cu17.55N19.9Al10（T1）、Zr64.80Cu14.85Ni10.35Al10（T2）及Zr55Cu30Ni5Al10（T3）三種成分大塊非晶合金，采用X射線衍射儀（XRD）、示差掃描量熱儀（DSC）、顯微硬度測量儀、微機控制電子萬能試驗機、布洛維光學(xué)硬度計、掃描電子顯微鏡（SEM）、光

3、學(xué)顯微鏡（OM）、微型摩擦磨損儀、X射線光電子能譜儀（XPS）等研究了非晶合金的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、超塑性變形及硬度、多軸加載剪切變形行為、表面摩擦磨損行為及離子注入對非晶合金結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、表面顯微硬度和摩擦磨損行為的作用效應(yīng)，得到如下主要結(jié)論： （1）T1和T2的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度分別為651.5K、748K和646K、750K，顯微硬度分別為693Hv和595Hv；在～10.4s-1準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下，尺寸為ф2×4mm和1

4、×1×2mm的T1表現(xiàn)出室溫脆性，而相同尺寸的T2經(jīng)歷85.5％工程應(yīng)變，即193.1％真應(yīng)變后尚未斷裂，表現(xiàn)出室溫超塑性，大塊非晶合金塑性對成分有顯著依賴性；在4.2×10-3S-1準(zhǔn)靜力應(yīng)變速率下，尺寸為1×1×2mm的T2真實塑性變形可達(dá)18.8％，也表現(xiàn)出較大塑性； （2）尺寸為ф3×4mm及1×1×2mm的T2在4.2×10.4s-1至6.0×10-5s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)均呈現(xiàn)出室溫超塑性，即經(jīng)歷85.5％工程應(yīng)變或1

5、93.1％真應(yīng)變?nèi)詿o脆斷跡象；隨著應(yīng)變速率的減小，抗壓強度、彈性模量、塑性應(yīng)變、真實屈服應(yīng)力、應(yīng)力峰間隔、應(yīng)力波動、剪切帶滑移間隔等逐漸增大，而工程屈服強度和彈性變形量則逐漸降低；應(yīng)變速率越小，應(yīng)力應(yīng)變曲線上鋸齒狀特性越明顯，合金側(cè)面剪切帶密集度越高；屈服后，表象加工硬化十分明顯，真實加工軟化和加工硬化交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)出先加工軟化后硬化再軟化的變形特征；高徑比越小，抗壓強度、真實塑性變形量、真實屈服應(yīng)力、終止應(yīng)力及表象加工硬化程度越小，而

6、屈服強度、彈性模量、彈性應(yīng)變量及剪切帶密度則逐漸增大。 （3）洛氏整體壓痕變形中，T1自由變形區(qū)由圓形和放射狀剪切帶構(gòu)成，而T2自由變形區(qū)內(nèi)只出現(xiàn)放射狀剪切帶，在自由變形區(qū)拉伸變形優(yōu)先于壓縮變形產(chǎn)生；洛氏界面壓痕變形后，T1和T2界面變形區(qū)均由半圓形和放射狀剪切帶構(gòu)成，半圓形剪切帶帶間距隨著載荷的增大呈逐漸減小趨勢；在相同載荷水平，T2非晶合金具有比T1非晶合金更大的變形特征尺寸和剪切帶密集度：半圓形剪切帶傳遞具有不連續(xù)性而放射

7、狀剪切帶傳遞具有連續(xù)性，表明前者在變形中優(yōu)先形成；壓痕變形區(qū)特征尺寸ω與載荷P的關(guān)系符合ω= CP0.5模型，T1比T2具有較小的比例常數(shù)。 （4）T3在經(jīng)載荷為5N、200～1400r/min轉(zhuǎn)速范圍或2～10N載荷范圍、轉(zhuǎn)速500r/min摩擦磨損8分鐘，仍均保持非晶結(jié)構(gòu)；摩擦系數(shù)主要位于0.15～0.35之間，平均摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨載荷的增大而減小，磨損量隨轉(zhuǎn)速和載荷的增大均單調(diào)上升；低轉(zhuǎn)速及小載荷時傾向于連續(xù)

8、磨損機理，大轉(zhuǎn)速及大載荷時更傾向于表面流、粘著及氧化磨損綜合作用機制。 （5）T3在載荷3N、在50～250mm/min滑動速度范圍內(nèi)作往復(fù)摩擦磨損50次，平均摩擦系數(shù)位于0.244～0.302范圍內(nèi)，隨滑動速度增加而增大，磨痕寬度在36～227μn之間，隨滑動速度增大逐漸減?。辉?N～5N載荷范圍、以200mm/min滑動速度作往復(fù)摩擦磨損50次，平均摩擦系數(shù)位于0.226～0.348范圍內(nèi)，隨載荷的增大單調(diào)遞減，磨痕寬度在3

9、7.8～72.3μm之間，隨載荷增加逐漸增大；磨痕呈直線型犁溝，滑動速度越小或載荷越大，磨損越嚴(yán)重；低滑動速度或大載荷時，趨向連續(xù)磨損、咬合或咬焊、粘著磨損及磨粒磨損共同作用機理；滑動速度較大或載荷較小時傾向于輕微咬合或咬焊及連續(xù)磨損。 （6）T3非晶合金離子注入后整體仍為非晶結(jié)構(gòu)；離子注入降低非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，增大其過冷液相區(qū)，晶化方式由一級晶化行為轉(zhuǎn)變成二級晶化行為；合金表面發(fā)生了氧化，Zr和Al兩元素在改性層隨深度由

10、氧化態(tài)向金屬態(tài)過度，而Cu和Ni兩元素在改性層中均以金屬態(tài)存在，注入Co元素在改性層中大體上呈現(xiàn)金屬態(tài)，其原子濃度在132nm處具有最大值29.3％，相對注入深度約198nm；鑄態(tài)非晶合金的晶化過程是典型的形核和長大機理，注入Co后非晶合金的晶化過程則是自由體積減小、原子短程序重排、多種方式的能量傳遞及晶粒形成與長大等機理共同作用結(jié)果。 （7）Co離子或Mo離子注入使非晶合金表面顯微硬度最大分別提高103.3Hv或127.5Hv