Cu基大塊非晶合金的制備及性能.pdf

1、Cu基非晶合金,特別是Cu-Zr-Al體系因其高強(qiáng)度、高硬度、塑性好而成為極具應(yīng)用前景的非晶合金材料,并引起眾多研究者的注目.本文通過微合金化,在Cu-Zr-Al體系中加入少量其他元素以銅模冷卻吸鑄的方法制備得到厘米級的大塊非晶合金.并對所制備合金的熱力學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究,找到一系列具有較大臨界合成尺寸、較好力學(xué)性能、有應(yīng)用前景的Cu基非晶合金.另外本文還就新開發(fā)的La基非晶合金方面做了部分工作,就其鑄態(tài)和退火態(tài)的拉伸及應(yīng)力松弛行為

2、進(jìn)行了研究. 通過加入微量稀土元素La、Ce、Nd、Gd和過渡金屬元素Y、Ti、Ag實(shí)現(xiàn)微合金化,用傳統(tǒng)的銅模冷卻吸鑄的方法成功制備出了一系列四元Cu-Zr-Al-Me(Me=La,Ce,Nd,Gd,Y, Ti和Ag,0≤x≤8 at.﹪)體系大塊非晶合金.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Gd、Y、Ti和Ag等元素的加入可增大上述四元合金體系的玻璃形成能力,并且在成分Cu<,45>Zr<,46>Al<,7>Gd<,2>、Cu<,45>Zr<,47

3、>Al<,7>Y<,1>、Cu<,45>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>和Cu<,45-x>Zr<,48>Al<,7>Ag<,x>(x-0,2,5 and 8 at.﹪)中發(fā)現(xiàn)了臨界吸鑄直徑達(dá)厘米級的大塊非晶合金,其中成分為Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>的合金體系具有最佳的玻璃形成能力,其臨界吸鑄直徑達(dá)到12mm. 通過分析這一系列Cu基非晶合金體系的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),非晶形成能力最好的成分并不

4、一定是其共晶點(diǎn)成分.在評價(jià)合金玻璃形成能力的熱力學(xué)參數(shù)中,過冷液相區(qū)(△T=T<,x>-T<,g>),約化溫度(T<,rg>=T<,g>/T<,1>),和γ=T<,x>/(T<,g>+T<,1>)普遍被用來評價(jià)非晶合金的玻璃形成能力.但過冷液相區(qū)和約化溫度兩判據(jù)在本文開發(fā)的非晶合金體系中并未表現(xiàn)出與玻璃形成能力之間有必然的聯(lián)系,而γ值則能相對較好的反映合金的玻璃形成能力. 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微合金化對非晶合金體系的塑性有顯著

5、的影響.相比Cu45Zr4sAl7較好的塑性(塑性形變達(dá)2.4﹪),Gd的加入使四元Cu-Zr-Al-Gd非晶合金成為完全脆性材料.少量Ti的加入則大大增加了Cu<,45>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>非晶合金的塑性,其塑性應(yīng)變達(dá)9.5﹪,SEM顯示壓縮過程產(chǎn)生了高密度并相互交織作用的剪切帶,這可能是其具有高塑性的一個主要因素.Cu-Zr-Al-Ag體系中成分Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>體系的塑性

6、達(dá)到3.0﹪,顯示了較好的延展性,但隨著Ag含量的增大,其塑性逐漸降低.而且Ag元素的加入顯著增加了非晶合金體系的維氏硬度,楊氏模量、泊松比也都稍微增大. 近年來許多研究表明,Cu-Zr-Al體系非晶合金的高塑性與壓縮過程中產(chǎn)生的納米晶化相有關(guān),因此我們對Cu<,45>Zr<,48>A<,17>、Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>和Cu<,40>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1-5>三個非晶合金體系就其

7、晶化激活能與塑性的關(guān)系進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,晶化激活能最小的Cu<,40>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>合金體系具有最大的塑性應(yīng)變,隨著晶化激活能的增大,合金難以形核析出晶化相,塑性應(yīng)變降低. 通過pin-on-disc的方法研究了一系列Cu<,45-x>Zr<,48>Al<,7>Ag<,x>(x=0,2,5 and 8 at﹪)合金的干滑移磨損行為.結(jié)果顯示這些非晶合金體系均表現(xiàn)出突出的耐磨性能,磨損系數(shù)K范圍

8、在2.4～5.4×10<'-4>之間,摩擦系數(shù)f范圍在0.152～0.206,而磨阻卻高達(dá)0.96～2.55×10<'13>Pa.相比Zr<,48>Cu<,45>Al<,7>非晶合金,含Ag合金體系的磨阻顯著增大.在我們所研究的四元Cu-Zr-Al-Ag大塊非晶合金體系中,磨阻與材料的力學(xué)性能是息息相關(guān)的,它與合金硬度成正比例并在一定程度上與塑性成反比.通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)磨損的嚴(yán)重程度與非晶合金的硬度和塑性有關(guān),低硬度高塑性的成分合金磨

9、損程度嚴(yán)重.SEM照片還揭示了磨屑生成及脫落過程. 對新開發(fā)的La<,62>Al<,14>Cu<,11.7>Ag<,2.3>Ni<,5>Co<,5>大塊非晶合金就其鑄態(tài)和退火態(tài)試樣進(jìn)行了拉伸和應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)恒溫退火處理大大影響了該合金的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.密度和馳豫峰強(qiáng)度變化顯示隨著退火時間的延長自由體積減少了.相關(guān)力學(xué)性能如斷裂強(qiáng)度、維氏硬度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)隨著自由體積的減少都有不同程度的增大.應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)力松

10、弛穩(wěn)定性、松弛速率以及粘度均隨退火時間的延長而增加. 用SEM對拉伸斷裂形貌研究發(fā)現(xiàn),斷裂面總是垂直于加載軸方向,θ<,T>=90°,并且試樣屈服后沒有明顯的塑性變形產(chǎn)生,這表明鑄態(tài)和退火態(tài)試樣在拉伸斷裂過程中均是典型的脆性斷裂.斷面形貌由平滑區(qū)和犁溝區(qū)同時存在(在鑄態(tài)和4h退火試樣中)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳鐪蠀^(qū)為主(8h以上退火).從斷面形貌圖中平滑區(qū)域的高倍照片可發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)狀花紋,這說明在拉伸斷裂過程中曾發(fā)生過局部頸縮和塑性變形.SE

11、M照片還顯示斷裂的主裂紋總是起始于平滑區(qū)域和犁溝區(qū)域的交界處,隨后眾多細(xì)小裂紋沿著主裂紋延展方向呈樹枝狀開裂.長時間退火處理促使La<,62>Al<,14>CU<,11.7>Ag<,2.3>Ni<,5>Co<,5>非晶合金中自由體積逐漸湮滅,并隨著退火時間的延長自由體積濃度減小,因而鑄態(tài)合金中可能存在更高濃度的自由體積,這在用SEM觀察時表現(xiàn)為富含渦旋狀花紋(暗示塑性斷裂)的平滑區(qū)域逐漸縮小直至消失(退火8h以上).自由體積變化宏觀上表