Zr基非晶合金的制备及其性能研究

论文摘要

Zr基非晶合金具有很强的非晶形成能力和较宽的过冷液相区,能够较容易地制备出性能优异的块体非晶合金。同时,Zr基非晶合金具有一系列优异的力学性能,是目前研究得最多的非晶合金系之一,有着及其广阔的应用前景,是材料研究领域的热点之一。本文以非晶形成能力较强、具有优良机械性能的Zr-Cu基为基础,通过添加A1.Ni.Ti.Re（Y.Gd）等元素,形成Zr-Cu二元合金、Zr-Cu-M三元合金、Zr-Cu-A1.Re四元和Zr-Cu基五元合金,采用高真空电弧熔炼—铜模吸铸法和高真空高频感应熔炼—铜模喷铸法制备出柱状的合金试样,进行非晶合金制备工艺的研究；通过X射线衍射分析（XRD）和差热扫描分析（DSC）,研究不同合金系的非晶形成能力；通过微观组织、断口观察和力学性能试验,研究合金的性能和影响因素。主要结果如下：首先,Zr-Cu二元合金、Zr-Cu-M三元合金的非晶形成能力相对较弱。通过对合金的显微组织观察,分析得出合金主要由非晶和少量结晶组成。其次,通过研究非晶合金Zr47-xCu46A17Yx（x=4～7）.Zr48-xCu45A17Gdx（x=2、3） Zr42Cu46Al7Gd5的非晶形成能力及热稳定性,得知Z1-Cu-Al-Re（Re=Y,Gd）系非晶合金的过冷液相区宽度△Tx均在56-79之间,约化玻璃转变温度Trg均在0.662-0.698之间,说明它们均具有较高的非晶形成能力及良好的热稳定性。并从XRD结果、热力学参数分析得出喷铸法比吸铸法制备的合金的非晶形成能力较强一些；直径越小,非晶形成能力越强,并在Zr-Cu.A1-Y体系中得出最大临界直径达6mmm。通过对不同试样显微组织的观察分析,得出非晶合金的显微组织分布均匀,具有非晶合金典型的组织特征。再次,利用显微维氏硬度计测试了Zr-Cu-Al-Re（Re=Y,Gd）系非晶合金的维氏硬度,实验结果表明,在Zr47-xCu46Al7Yx（x=3～7）非晶合金中,随着Y含量的增加,硬度呈先降低后升高的趋势。当添加7at.%Y时,硬度最高,为HV513。通过选用不同的制备工艺和铜模直径制备出的非晶合金的硬度有明显区别,说明同种非晶合金的硬度与制备工艺和直径大小有直接关系。在Zr48-xCu45A17Gdx（x=2, 3）.Zr42Cu46Al7Gd5非晶合金中,硬度随着Gd含量的增加,硬度呈逐步降低趋势。最后,测试了Zr-Cu-A1-Re（Re=Y,Gd）系非晶合金的压缩性能及断口形貌,实验结果表明,在Zr47-xCu46A17Yx（x=4～8）非晶合金中,随着Y含量的增加,断裂强度呈先升高后降低的趋势,最大抗压强度达到761MPa,相对压缩率达3.7%在Zr48-xCu45Al7Gdx（x=2,3）、Zr42Cu46Al7Gd5非晶合金中,随着Gd含量的增加,断裂强度反而降低。试样屈服后没有明显的塑性变形产生,断裂形式均为典型的脆性断裂,断面均呈脉络状花样,变形都发生在局域剪切带内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 非晶合金研究的发展
• 1.1.1 非晶合金的发展
• 1.1.2 块体非晶合金的研究现状
• 1.1.3 非晶合金的应用
• 1.2 非晶合金的制备方法
• 1.3 非晶合金的结构特征
• 1.3.1 微晶模型
• 1.3.2 连续无规网格模型
• 1.3.3 硬球随机密堆积模型
• 1.3.4 自由体积（free volume）模型
• 1.4 非晶形成机理
• 1.4.1 非晶形成条件
• 1.4.2 非晶形成能力判据
• 1.5 大块Zr基非晶合金的研究
• 1.5.1 力学性能
• 1.5.2 耐腐蚀性能
• 1.5.3 加工性能
• 1.5.4 应用
• 1.6 研究内容及意义
• 第二章 实验方案及实验过程
• 2.1 实验方案
• 2.2 实验过程与方法
• 2.2.1 合金成分配制
• 2.2.2 合金的冶炼和成型
• 2.3 试样测试方法
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 差热扫描量热分析（DSC）
• 2.3.3 显微组织分析
• 2.3.4 压缩实验
• 2.3.5 显微硬度
• 第三章 Zr基非晶合金的制备研究
• 3.1 Zr-Cu二元合金
• 50Cu₅₀合金的形成'>3.1.1 Zr₅₀Cu₅₀合金的形成
• 3.1.2 显微组织分析
• 3.2 Zr-Cu-M三元合金
• 3.2.1 Zr-Cu-Al系
• 3.2.2 Zr-Cu-Ti系
• 3.3 Zr-Cu-Al-Re四元合金
• 3.3.1 Zr一Cu一Al一Y系
• 3.3.2 Zr一Cu一AI一Gd系
• 3.4 Zr-Al-Ni-Cu-Y五元合金
• 3.4.1 Y含量对非晶形成的影响
• 3.4.2 显微组织
• 3.5 分析讨论
• 3.5.1 Re元素的影响
• 3.5.2 合金化
• 3.5.3 热力学和动力学
• 3.5.4 "脆"性
• 3.6 本章小结
• 第四章 Zr基非晶合金力学性能的研究
• 4.1 言引
• 4.2 Zr-Cu-Al-Y系
• 4.2.1 力学性能
• 4.2.2 断口分析
• 4.3 Zr-Cu-Al-Gd系
• 4.3.1 力学性能
• 4.3.2 断口分析
• 4.4 分析讨论
• 4.4.1 Re对力学性能的影响
• 4.4.2 锯齿形成的原因
• 4.4.3 断口形貌分析及对强度的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 （攻读硕士学位期间发表的论文目录）