非均匀微结构对Zr基块体非晶合金室温塑性及变形行为的影响

论文摘要

本论文利用X射线衍射分析仪（XRD）、光学显微镜（OM）、示差扫描量热仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、力学试验机、纳米压痕设备、显微硬度计、X射线小角散射（SAXS）及静态热分析仪（TMA）等实验手段系统研究了具有两种不同非均匀微结构（纳米尺度的相分离及二十面体中程有序结构）对Zr基块体非晶合金室温塑性及变形行为的影响,并从理论上分析了非晶合金的变形机理。采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸的方法制备了ZrCuAlX（X=Ta,Fe）块体非晶合金。实验结果表明：微量正混合热元素Ta和Fe的添加能有效改善合金的室温变形能力,使Cu46Zr47A17非晶合金的室温塑性由0.59%分别提高至2.62%和4.81%。通过研究Fe含量对合金塑性变形行为的影响,发现塑性开始随Fe含量的增加而增加,到1at%时达到最大,为7.47%。随后塑性开始减小,直至2.5at%时不能形成完全的非晶结构。TEM结果表明Fe的添加使ZrCuAl合金中形成纳米尺度的相分离结构,形成富Cu和富Fe的非晶相,当相分离的尺寸在一定尺寸时,能很好地提高非晶合金的室温变形能力。通过调整合金中Zr含量,系统性地比较研究了Zr65Cu17.5Ni10Al7.5和Zr69.5Cu12Ni11Al7.5块体非晶合金的微观结构和力学性能。结果表明,这两种成分相近的合金表现出完全不同的晶化行为和力学性能。前者表现为单步晶化,形成稳定的CuZr2相,而Zr69.5Cu12Ni11Al7.5非晶合金则分两步晶化,优先析出准晶相进而形成CuZr2相,表明该合金中具有二十面体中程有序结构。热力学分析表明Zr695Cu12Ni11Al7.5块体非晶合金具有较小的晶化激活能和形核激活能,说明了合金中具有较强的团簇结构,这与SAXS的结果相一致。具有二十面体中程有序结构的Zr69.5Cu12Ni11Al7.5块体非晶合金具有很好的室温变形能力,其单轴压缩塑性高达25%而不发生断裂,缺口断裂韧性达到86MPm1/2,直径为1mm的合金样品弯曲120度以上也不发生断裂,表明增加Zr含量有利于形成二十面体中程有序结构,提高非晶合金的室温变形能力。通过研究应变速率对Zr695Cu12Ni11Al7.5块体非晶合金变形行为的影响时发现,该合金存在一个由“冷剪切”到“热剪切”的临界应变速率。在低应变速率下（≤10-1s-1）,合金沿着一条主剪切带滑移,表现为典型的冷剪切行为。而当应变速率达到1s-1时,剪切带内合金因发生热剪切而表现为脆性断裂。通过绝热温升模型对其进一步分析发现,合金的变形行为不仅与应变速率有关,也与样品尺寸相关。此外,锯齿流变行为也强烈地依赖于应变速率,并随着应变速率的增大而减小,在应变速率达到10-s-1时消失。此过程类似与摩擦过程中的滑动行为,符合Stick-Slip模型。通过在Zr69.5Cu12Ni11Al7.5块体非晶合金上形成单一的剪切带,对剪切带的性质及非晶合金的变形机理进行直接研究。纳米压痕实验结果表明,在剪切带处存在明显的软化,其最小硬度（即为剪切带的硬度）为3.5GPa,且不随着塑性变形量的增加而改变。但剪切带的宽度随着塑性变形量的增加而增大,当塑性变形为6%时,其宽度为160μm,远大于文献中利用TEM观察的10-100nm。TMA和DSC实验结果表明,剪切带内有剧烈的体积膨胀,最大体积膨胀和自由体积分别为1.14%和1.40%。自由体积的最大值不随塑性变形量的增加而改变,表明剪切带内的自由体积在塑性变形为2%时即达到饱和。利用自由体积模型对该块体非晶合金的变形行为进行分析。研究发现,剪切带内的最大自由体积为1.20%,与实验结果完全吻合,说明非晶合金的剪切变形是自由体积产生的过程,符合自由体积模型。基于硬度值和自由体积含量,可以定量表征两者之间的关系,为H=0.56+0.04/ξ,并得到活化体积εov0=1.61×10-28m3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 非晶合金的历史与发展
• 1.2 块体非晶合金的性能及应用
• 1.3 块体非晶合金的变形行为
• 1.4 块体非晶合金增韧的主要途径
• 1.5 本课题的主要内容和意义
• 2 相分离对块体非晶合金力学性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.3 实验结果
• 2.4 讨论
• 2.5 本章小结
• 3 二十面体中程有序对块体非晶合金室温塑性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 4 应变速率对非晶合金变形行为的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 5 非晶合金中剪切带的性质
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 6 非晶合金变形机理的探讨
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果
• 6.4 讨论
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 主要实验结果
• 7.2 本论文的创新之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文