铸态内生塑性晶体相/大块金属玻璃复合材料研究

论文摘要

本论文研究了Zr基铸态内生塑性晶体相/大块金属玻璃（BMG）复合材料的制备、组织与性能，并就树枝晶的球化机理、β相树枝晶球化处理工艺、球晶/BMG复合材料制备、形变过程中球晶与剪切带之间的相互作用形式，以及塑性球晶/BMG复合材料变形过程中的多剪切带形成机制等问题展开了系统研究。主要工作包括以下几个方面：（1）分别采用熔体水淬和低压铸造/水冷铜模急冷成形的方法制备了Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5铸态内生β-Zr（Ti，Nb）枝晶/BMG复合材料W和M。W中的β相呈发达的树枝状，体积分数约为30％；M中的β相为细小的等轴晶，体积分数约为20％。室温单轴压缩时，W的屈服强度约为1200MPa，断裂塑性应变为10.2％；而M的屈服强度达到了1450MPa，但其断裂塑性应变仅为7％。W和M中的β相的形貌、尺寸与体积分数的差异原因在于制备冷却速率不同；不同的微观组织特性又使得它们具有不同的力学性能。相对多而粗大的β相有利于复合材料室温塑性应变的提高，但随着β相体积分数增加，材料的屈服强度呈现下降趋势。（2）鉴于内生晶体相形貌对复合材料性能影响显著，设计了内生塑性球晶/BMG复合材料的组织结构和制备方法，并成功制备了Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5铸态内生β相球晶/BMG复合材料S1，球晶相的平均直径和体积分数分别约为18μm和30％。室温压缩时，S1的屈服强度和断裂塑性应变分别达到1325MPa和12.0％，极限断裂强度达到了1800MPa。与化学成分相同并含有相同体积分数β相枝晶/BMG复合材料W相比，S1的屈服强度和断裂塑性应变分别提高了13％和20％，（3）将增加晶体相的体积分数与改变晶体相的形态至团球状同时应用于铸态内生塑性晶体相/BMG复合材料的制备过程，并采用熔体水淬法制备了Zr60Wi14.67Nb5.33Cu5.56Ni4.44Be10近球状β相/BMG新型复合材料S2。近球状β相的平均尺寸和体积分数分别约为20μm和55％；室温单轴压缩时，S2的极限断裂强度和断裂塑性应变分别达到了1890MPa和20.1％。科学的成分设计和β相球化处理工艺的实施，是S2开发过程中的两个重要环节；高体积分数的β相和其所具有的近球状形貌，是导致S2大的塑性应变的两个主要原因。（4）β相的球化转变是一个自发的热力学过程，但这一过程受原子扩散的动力学条件控制，其实现以工艺方法满足于动力学条件为前提，机制可以胶态平衡理论为基础进行阐释。（5）在S1压缩试样表面的球晶相中观察到了大量的滑移带，这是塑性晶体相通过位错滑移发生塑性变形的直接证据。这些滑移带没有明显的方向性，并且能够直接贯穿球晶/基体界面向玻璃基体中延伸，从而形成具有不同方向的多重剪切带。扩展中的剪切带遭遇到球晶相时，被球晶相所停止，造成大量的“胡须”状多重剪切带在球晶/基体之间的界面上

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 大块金属玻璃（BMG）及其力学行为
• 1.1.1 BMG的诞生与发展历程
• 1.1.2 BMG典型的力学性能
• 1.1.3 BMG的变形机制与断裂行为
• 1.2 改善BMG室温塑性的意义及主要途径
• 1.2.1 改善BMG室温塑性的意义
• 1.2.2 改善BMG室温塑性的主要途径
• 1.3 塑性BMG研究进展
• 1.4 BMG复合材料研究现状
• 1.4.1 外加纤维（颗粒）增强BMG复合材料
• 1.4.2 内生纳米晶/BMG复合材料
• 1.4.3 铸态内生微米尺度晶体相/BMG复合材料
• 1.5 本工作的主要研究内容
• 1.5.1 课题的提出、研究设想与研究目的
• 1.5.2 研究方法与实验设计
• 1.5.3 预期结果及意义
• 第二章 实验条件与实验方法
• 2.1 原材料的选用与母合金锭的制备
• 2.1.1 原材料的选用
• 2.1.2 母合金锭的制备
• 2.2 试样制备
• 2.2.1 熔体水淬法制备BMG及其复合材料
• 2.2.2 低压铸造/水冷铜模急冷成形制备BMG复合材料
• 2.3 微观组织表征与性能测试
• 2.3.1 微观组织表征
• 2.3.2 热物理性能检测
• 2.3.3 力学性能测试
• 第三章 铸态内生塑性枝晶/BMG复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 熔体水淬法制备塑性枝晶/BMG复合材料
• 3.2.1 试样的外观形貌与光学显微组织
• 3.2.2 相组成
• 3.2.3 室温压缩应力-应变行为
• 3.2.4 压缩变形与断裂行为
• 3.3 低压铸造制备内生塑性枝晶/BMG复合材料
• 3.3.1 试样的外观形貌与光学显微组织
• 3.3.2 相组成
• 3.3.3 室温压缩力应力-应变行为
• 3.3.4 压缩变形与断裂行为
• 3.4 制备条件对Zr基BMG复合材料组织和性能的影响
• 3.4.1 制备条件对微观组织特性的影响
• 3.4.2 微观组织特性对室温力学性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 铸态内生塑性球晶/BMG复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 塑性晶体相形态设计
• 4.3 球状晶态相形成条件分析
• 4.3.1 树枝晶的形成原理
• 4.3.2 树枝晶球化转变的热力学分析
• 4.3.3 球化转变的动力学分析
• 4.3.4 枝晶球化的实验验证
• 4.4 Zr基铸态内生塑性球晶/BMG复合材料的组织与性能
• 4.4.1 试样的外观形貌与微观组织
• 4.4.2 相组成
• 4.4.3 室温压缩应力-应变
• 4.4.4 室温压缩变形、断裂行为分析
• 4.5 本章小结
• 60Ti_14.67Nb_5.33CU_5.56Ni_4.44Be₁₀新型BMG复合材料'>第五章 Zr₆₀Ti_14.67Nb_5.33CU_5.56Ni_4.44Be₁₀新型BMG复合材料
• 5.1 引言
• 5.2 合金成分设计
• 5.3 微观组织表征
• 5.3.1 XRD检测与分析
• 5.3.2 光学显微组织
• 5.3.3 选区衍射分析
• 5.4 室温压缩应力-应变行为表征与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 球晶/BMG复合材料室温塑性行为与塑性改善机制
• 6.1 引言
• 6.2 压缩试样表面结构观察与比较
• 6.3 室温塑性变形行为分析
• 6.4 球晶/BMG复合材料室温塑性改善机制
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读博士学位期间发表的相关学术论文、参加的科研活动与获奖情况