非晶合金以及复合材料的离子辐照效应
发布时间：2020-03-20 10:10
【摘要】：非晶合金具有高强度和耐腐蚀的特点,同时由于它具有无序的结构,因而被期望具有较好的抗辐照能力,使其在航天器和核工业方面具有广泛的应用前景。非晶合金结构呈各向同性,没有线、面晶体缺陷,也是研究辐照效应的理想模型材料。本论文利用模拟空天环境和核反应堆的辐照实验方法,选取了不同体系的非晶合金、非晶合金薄带和非晶合金复合材料作为研究对象,研究了低能和高能离子辐照对材料结构、表面特征和力学行为的影响。用100 keV的He~+离子辐照不同体系、不同方法制备的块体非晶合金、非晶合金薄带和非晶合金复合材料。实验研究的辐照剂量范围在2×10~177 ions/cm~2~1.0×10~(18)ions/cm~2之间,通过改变真空甩带机的轮速(15,25,35,45m/s)制备了Fe_(78)Si_8B_(14)和Fe_(78)P_8B_(14)非晶合金薄带。当辐照剂量达到5×10~(17)ions/cm~2时,在两种薄带的表面观察到相似的辐照响应,脱落、开裂和多层损伤出现。轮速在35 m/s所制备的Fe_(78)Si_8B_(14)和Fe_(78)P_8B_(14)薄带拥有最大的未剥落面积,相比同组分完全非晶的两种薄带表现出更优的辐照抵抗能力。它们的晶化程度分别为6.5%和4.2%。归咎于析出的Fe_2P和Fe_3Si晶化相,使材料拥有大量的晶界和相界。这些界面会作为一种吸收源消除辐照引起的缺陷。研究结果表明一定尺寸和数量的晶体相存在于非晶基体内在辐照抵抗方面起着重要的作用。拥有一定比例B2相的CuZr基非晶合金复合材料拥有显著的塑性变形能力并在变形过程中表现出显著的加工硬化性能。我们选用了拥有体积分数为28±3vol%的B2相的Cu_(48)Zr_(48)Al_4非晶合金复合材料,在He~+离子辐照后发现抛光的材料表面区域观察到了表面浮凸现象。根据XRD结果显示,材料发生了马氏体相转变:B2-CuZr(简单立方相,P_m-3_m)→B19’-CuZr和B33-CuZr(单斜相,P2_1/_m和Cm),利用纳米压痕仪发现材料的晶体区域和非晶区域分别表现出硬化和软化效应,这是因为辐照导致晶体区域形成了硬化相,非晶区域中自由体积浓度的增加或者引入多余的高浓度原子尺度缺陷所造成的。通过维氏硬度计对材料的宏观硬度进行测量后发现,材料的整体硬度基本保持不变,这是因为硬化和软化之间的耦合效应所造成的。Vit1(Zr_(41.2)Ti_(13.8)Ni_(10)Cu_(12.5)Be_(22.5))非晶合金和Cu_(48)Zr_(48)Al_4非晶合金复合材料,在经过20 MeV的Cl~(4+)离子5×10~(15),1×10~(16)ions/cm~2的剂量辐照后,Vit_1始终保持非晶态,然而拥有一定晶化程度的Cu_(48)Zr_(48)Al_4表现出非晶化。除此之外在纳米压入过程中Vit1的硬度在辐照前后没有发生变化同时锯齿变化幅度不明显。Cu_(48)Zr_(48)Al_4呈现出不同程度的软化,复合材料的锯齿流变现象在辐照前后发生了改变。辐照后Cu_(48)Zr_(48)Al_4相比较辐照前的样品,锯齿流变的特征变得更加无规律。因为辐照损伤在非晶基体内部引入自由体积造成材料塑性提高导致剪切带锯齿提前出现。同时辐照产生高浓度的原子尺度缺陷,改变了材料的微观结构,缺陷的浓度和分布发生变化,最终影响到非晶合金的变形特点。
【图文】：
i-Ni-Cu-Sn[23]和五元 Zr-Ti-Al-Cu-Ni[24]等，可以看出这些体系的非晶合金都是由普通元素组成的。1993 年，A. Inoue 研究组和美国加州理工学院的 W.L. Johnson 课题组合并研发出了块体非晶合金 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5，其临界尺寸达了Φ 30 mm，这就是经典的 Vit-1 非晶合金，其具有极强的非晶形成能力[25]。在这期间， Cu 基、Pa 基、L基、Co 基、Al 基、Mg 基、Ni 基和Fe 基等不同合金体系的块状非晶合金[26-28]也被成功制备。2008 年，同样是 W.L. Johnson 课题组下的 Hofmann 等人[29]发现通过控制冷速制备了 Zr 非晶基复合材料，非晶基体内部的原位内生 β 相呈现出树枝晶的结构紧密的连接在一起，材料断裂后出现大量颈缩，其塑性变形量达到 8.1% 左右，克服了非晶合金在室温下没有塑性的问题，，为非晶合金及其复合材料的发展做出了极大的贡献，研究成果最终在 Nature 杂志上进行了发表。2012 年，A. Inoue 研究组制得出的Pd42.5Cu30Ni7.5P20非晶合金棒拥有Φ 80 mm×85 mm 大小的尺寸，这是迄今为止已报道的世界上拥有最大尺寸的块体非晶合金[30]，如图 1.1。
能离子辐照改变了 Pd80Si20和 Cu50Zr50块体非晶合金的的现象[38-39]。1981 年，Swijgenhoven 利用辐照能量为 5 金Fe40Ni38Mo4B18进行辐照， 当辐照剂量达到 4.0×1016i为 1.4 nm 的微小氦泡出现，随着辐照剂量进一步增泡尺寸得到生长变为 33 nm[40]。Hayasy等人利用辐照能量×1018ions/cm2的 He+对 Fe40Ni38Mo4B18观察到了剥落人利用辐照能量为 100-300keV 的 He+在室温下辐局部晶化的情况[42]。1989 年， Hayashi 等人用 40 keV0发现 a-Fe 晶化相[43]。2001 年，美国 NASA 发射了用号宇宙飞船，其中太阳能收集器这一最重要的部非晶合金制造。在经过三年的搜集和强太阳风暴的冲击之形和表面形貌，可以看出其优异的抗辐照性能[44]。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8;TB33
【图文】：
i-Ni-Cu-Sn[23]和五元 Zr-Ti-Al-Cu-Ni[24]等，可以看出这些体系的非晶合金都是由普通元素组成的。1993 年，A. Inoue 研究组和美国加州理工学院的 W.L. Johnson 课题组合并研发出了块体非晶合金 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5，其临界尺寸达了Φ 30 mm，这就是经典的 Vit-1 非晶合金，其具有极强的非晶形成能力[25]。在这期间， Cu 基、Pa 基、L基、Co 基、Al 基、Mg 基、Ni 基和Fe 基等不同合金体系的块状非晶合金[26-28]也被成功制备。2008 年，同样是 W.L. Johnson 课题组下的 Hofmann 等人[29]发现通过控制冷速制备了 Zr 非晶基复合材料，非晶基体内部的原位内生 β 相呈现出树枝晶的结构紧密的连接在一起，材料断裂后出现大量颈缩，其塑性变形量达到 8.1% 左右，克服了非晶合金在室温下没有塑性的问题，，为非晶合金及其复合材料的发展做出了极大的贡献，研究成果最终在 Nature 杂志上进行了发表。2012 年，A. Inoue 研究组制得出的Pd42.5Cu30Ni7.5P20非晶合金棒拥有Φ 80 mm×85 mm 大小的尺寸，这是迄今为止已报道的世界上拥有最大尺寸的块体非晶合金[30]，如图 1.1。
能离子辐照改变了 Pd80Si20和 Cu50Zr50块体非晶合金的的现象[38-39]。1981 年，Swijgenhoven 利用辐照能量为 5 金Fe40Ni38Mo4B18进行辐照， 当辐照剂量达到 4.0×1016i为 1.4 nm 的微小氦泡出现，随着辐照剂量进一步增泡尺寸得到生长变为 33 nm[40]。Hayasy等人利用辐照能量×1018ions/cm2的 He+对 Fe40Ni38Mo4B18观察到了剥落人利用辐照能量为 100-300keV 的 He+在室温下辐局部晶化的情况[42]。1989 年， Hayashi 等人用 40 keV0发现 a-Fe 晶化相[43]。2001 年，美国 NASA 发射了用号宇宙飞船，其中太阳能收集器这一最重要的部非晶合金制造。在经过三年的搜集和强太阳风暴的冲击之形和表面形貌，可以看出其优异的抗辐照性能[44]。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8;TB33
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本文编号：2591638
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