Zr基块体非晶合金等温变形及纳米晶化行为研究

论文摘要

利用非晶合金在过冷液相区的超塑性变形能力成形微型零件已成为目前材料和微成形领域关注焦点之一,因而必须了解非晶合金在过冷液相区的变形行为及等温退火时的纳米晶化行为,但要获得精密成形零件,更需要掌握非晶合金同时承受环境热和各种应力状态过程中结构变化机制及引起的性能变化。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金是目前玻璃形成能力最强的合金之一,由于成本相对低廉及铸件三维尺寸大,其广阔的应用前景备受关注。因此,针对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金过冷液相区等温压缩变形过程中的变形行为及纳米晶化行为进行系统研究,同时分析了压缩变形和应力状态对纳米晶化影响机制,对于块体非晶合金超塑性体积成形具有重要指导意义。利用等温热压缩研究了Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金过冷液相区变形规律,分析了变形温度及应变速率对块体非晶合金力学行为的影响规律,揭示了超塑性变形机制。结果表明:随着温度升高或应变速率降低,流动应力降低;在较低温度和较高应变速率下流动应力随变形急剧上升,到达峰值应力后逐渐下降,但是当温度超过405℃及应变速率低于5×10-4s（-1）时,在变形后期应力明显上升。采用X射线衍射仪及透射电子显微镜分析了不同温度和应变速率对纳米晶化的影响规律,揭示了纳米晶化相形成和长大规律。此外,通过对比分析等温变形与同等条件下等温退火纳米晶化行为,表明压缩变形提高形核率;在温度低于405℃时变形促进纳米晶化相长大,而高于405℃则抑制晶粒粗大;基于形核和长大理论揭示了压缩变形对纳米晶化的影响机制。进一步分析了压缩试样各变形区域的应力状态,并与施加包套后的应力状态进行对比分析。通过差热分析和显微压痕深度测量确定各应力状态下的晶化行为和性能,表明三向压应力更能促进纳米晶化并导致硬度升高,首次揭示了应力状态影响纳米晶化机制。由于非晶合金等温变形所产生的纳米晶化相是影响其室温性能的重要因素,本文利用扫描电镜分析了等温变形后试样的室温压缩断口形貌和断裂机制,研究了等温变形参数对室温压缩行为的影响。结果表明:在温度范围为370～395℃区间以恒定应变速率1×10-3s（-1）变形后,以及在应变速率范围为1×10-2～1×10-3s（-1）以恒定温度395℃变形后,试样呈现出同铸态非晶合金相似的室温塑性。随着温度升高或应变速率降低,塑性特征逐渐消失,表现典型脆性断裂特征。利用本课题组研制的微成形系统和浮动模具研究了该非晶合金微型齿轮成形工艺,获得最佳工艺参数:冲头速度为3～4μm/s,保压时间为60s,成形温度为390～400℃,成形载荷为350～450N。通过显微硬度,纳米压痕和原子力显微镜分析成形件性能,结果表明:齿心、齿根及齿尖部位显微硬度、纳米硬度和弹性模量基本相似,表面粗糙度只有0.127μm,表面质量良好。这对于非晶合金微型零件超塑性成形工艺参数选择及质量控制具有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 块体非晶合金基本特征
• 1.2.1 非晶合金制备方法
• 1.2.2 块体非晶合金结构特征
• 1.2.3 块体非晶合金热力学特性
• 1.3 块体非晶合金力学行为研究现状
• 1.3.1 室温性能
• 1.3.2 过冷液相区力学行为
• 1.4 块体非晶合金晶化行为研究现状
• 1.4.1 块体非晶合金结晶方式及影响因素
• 1.4.2 块体非晶合金等温退火晶化行为
• 1.4.3 块体非晶合金等温变形晶化行为
• 1.4.4 块体非晶合金室温变形晶化行为
• 1.5 非晶合金超塑性及微成形技术研究现状
• 1.5.1 非晶合金超塑性成形性能及技术研究
• 1.5.2 非晶合金微成形技术特点及研究现状
• 1.6 过冷液相区变形及晶化行为研究存在的问题
• 1.7 学位论文的主要内容
• 第2章 块体非晶合金过冷液相区等温压缩变形行为
• 2.1 引言
• 2.2 块体非晶合金过冷液相区压缩试验方案
• 2.2.1 热压缩试验坯料制备
• 2.2.2 热压缩试验研究方案
• 2.3 块体非晶合金过冷液相区压缩变形力学行为研究
• 2.3.1 变形温度对等温流动行为的影响
• 2.3.2 应变速率对等温流动行为的影响
• 2.4 块体非晶合金过冷液相区变形机制
• 2.5 本章小结
• 第3章 块体非晶合金过冷液相区等温压缩变形过程中纳米晶化行为
• 3.1 引言
• 3.2 块体非晶合金纳米晶化相结构及成分表征方法
• 3.3 等温压缩变形过程中纳米晶化行为分析
• 3.3.1 不同温度下等温变形晶化行为
• 3.3.2 不同应变速率下等温变形晶化行为
• 3.3.3 与等温退火晶化行为对比分析
• 3.4 压缩变形对纳米晶化影响机制
• 3.5 本章小结
• 第4章 应力状态对块体非晶合金过冷液相区纳米晶化行为的影响
• 4.1 引言
• 4.2 不同应力状态的实现方法
• 4.2.1 等温压缩变形区应力状态分析
• 4.2.2 包套改变侧表面变形区应力状态
• 4.3 不同应力状态下纳米晶化行为及性能分析
• 4.3.1 应力状态对纳米晶化行为及性能的影响规律
• 4.3.2 包套对侧表面变形区纳米晶化行为的影响规律
• 4.4 应力状态对纳米晶化的影响机制
• 4.4.1 晶化热力学分析
• 4.4.2 形变辅助纳米晶化行为
• 4.5 本章小结
• 第5章 等温变形后块体非晶合金室温压缩断裂行为
• 5.1 引言
• 5.2 室温压缩试验方案
• 5.3 铸态块体非晶合金室温压缩断裂行为
• 5.4 等温变形后块体非晶合金的室温压缩变形行为
• 5.4.1 室温力学行为分析
• 5.4.2 室温压缩断裂行为分析
• 5.5 纳米晶化对断裂行为的影响机制
• 5.6 本章小结
• 第6章 块体非晶合金微成形工艺研究
• 6.1 引言
• 6.2 微型齿轮成形实验设计
• 6.2.1 微型齿轮模具结构设计
• 6.2.2 微型齿轮成形实验方案
• 6.3 非晶合金微型齿轮成形实验研究
• 6.3.1 微型齿轮成形过程与评价方法
• 6.3.2 载荷及保压时间对微型齿轮成形规律的影响
• 6.3.3 冲头速度对微型齿轮成形规律的影响
• 6.3.4 成形温度对微型齿轮成形规律的影响
• 6.4 非晶合金微型齿轮性能分析
• 6.4.1 显微硬度及纳米压痕分析
• 6.4.2 表面粗糙度分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历