Ti-Ni基块体非晶复合材料的力学性能与强韧化研究

发布时间：2020-07-26 22:23

【摘要】：本文选择具有形状记忆效应和较强非晶形成能力的Ti-Ni合金体系,采用真空磁悬浮熔炼-负压铜模吸铸法,通过组元调控与微合金化制备具有组织连续梯度的形状记忆合金/非晶基复合材料,研究其组织结构和力学行为,分析了形状记忆晶相对非晶基体的韧塑化作用。通过对Ti-Ni-Cu三元合金进行组元调控,得到(Ti_(0.5)Ni_(0.5))_(80 )Cu_(20)合金试样,其组织中为非晶基体加过冷奥氏体相B2-Ti(Ni,Cu)和热致马氏体相B19’-Ti(Ni,Cu),而无其他金属间化合物相。合金的力学性能优异,断裂强度为2246MPa,压缩塑性应变达到12.2%。合金凝固过程的温度梯度决定了复合材料的组织梯度,由表及里,主要为非晶相、马氏体相和树枝晶奥氏体相。加载时形变诱导相变对非晶基体同时增强增韧,复合材料的综合力学性能优异,以连续屈服和强烈的加工硬化为主要特征;其断裂表面存在大量密集均匀的脉络纹,析出相周围形成的多重剪切带和玻璃基体上剪切带,扩展方向分别与加载方向呈约90°和45°角;复合材料由表及里呈现出蠕变量、塑性变形逐渐增大而纳米硬度逐渐减小的变化趋势。在Ti-Ni-Cu-Zr四元合金中分别以Cu替代Ni、以Zr替代Ni进行组元调控,得到Ti_(45)Zr_5Cu _XNi_(50-X)(x=5,10,15,20,25,30,35,40)和Ti_(40)Cu_(20 )Ni_(40-X)Zr _X(x=2,4,6,8,10,12)合金成分体系。发现在Ti_(45)Zr_5Cu_(x )Ni_(50-X)系合金中,随着Cu含量的增加,析出的形状记忆晶相体积分数以及复合材料的强度、塑性都呈先减小后增大的“V”型趋势变化,当X=5时合金具有最佳力学性能,断裂强度为2485MPa,塑性变形能力达到16%。在Ti_(40)Cu_(20)Ni_(40-X)Zr _X系合金中,X=10时,合金的综合力学性能最优,表现为屈服强度1180MPa,断裂强度高达2300MPa,塑性变形达到11.6%,且断裂强度远高于屈服强度,没有出现应力诱发相变平台,以连续屈服和强烈的加工硬化为主要特征。当通过添加稀土元素Ce,由Ti-Ni-Cu三元合金得到Ti_(40-x )Ce_(x )Ni_(40)Cu_(20)(x=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)系成分合金。在体系组元中,稀土元素Ce具有最大的原子半径和很大的与Ti、Ni的负混合热,较之Ti_(45)Zr_5Cux Ni_(50-X)系四元合金,合金系具有更为优异的力学性能;X=0.2时,合金具有最佳综合力学性能,断裂强度为2500MPa,塑性应变为12.0%;X=0.4时合金的塑性最高(14.5%)且强度达到2400MPa。在(Ti_(0.5)Ni_(0.48)M_(0.02))_(80)Cu_(20)(M=Fe、Ce、Zr)合金系中,研究了微合金化对合金相变和加工硬化行为的影响规律。在铸态合金组织中析出相主要为B2-Ti(Ni,Cu)过冷奥氏体相和B19’-Ti(Ni,Cu)热致马氏体相,材料为非晶复合结构。压应力加载断裂后各试样的马氏体衍射峰比铸态增强,与断裂前相比,应力加载后部分奥氏体向马氏体转变,马氏体析出量明显增加,且相对于压应力方向的马氏体择优取向,即应力诱发马氏体相变。三种合金都有较为优异的压缩力学性能,合金化元素M的改变(M=Fe、Ce、Zr),对合金力学性能和相变机制影响显著。由真应力-真应变曲线分析了三种合金的加工硬化行为,发现在加工硬化速率-真应变曲线和瞬时加工硬化速率-真应变曲线中,复合材料的加工硬化行为可大致分为三个阶段。M=Fe的合金加工硬化速率、平均加工硬化指数n和瞬时加工硬化指数n*在合金体系中最大,加工硬化能力最强,复合材料的屈服强度最低(920MPa),塑性最好(13.1%),平均加工硬化指数最大(n=0.31)。M=Ce的合金加工硬化能力略低于M=Fe的合金,但在加工硬化速率-真应变曲线和n*-真应变曲线中,加工硬化的各个阶段过程最长,合金的综合力学性能最优,断裂强度最大(2645MPa),塑性变形为12.2%。Zr元素的加入将促进凝固组织中马氏体的相转变,而抑制合金组织中奥氏体相的形成,使得合金的加工硬化能力最小,因此M=Zr的合金屈服强度最大(1300MPa),塑性最小(7.5%)。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB331;TG139
【图文】：

原子结构,晶态,非晶态结构,非晶态

硕士学位论文第 1 章绪论的基本概念及性能特征材料虽然千千万万，但究其内在本质，大致可将材料分状态。以往人们所使用的大多是晶态材料，而对于非晶属熔体经快速冷却，所得到的具有玻璃特性的固体材料内部原子结构（图 1.1）[1]。液态金属在非常高的冷却速被冻结在原来位置周围而不发生形核与长大，形成和液

块体金属玻璃,物理,金属玻璃

等人用吸铸法在相当低的冷却速度（1000K/s 以内璃棒[18]。大块金属玻璃体系的发现对于我们来说上个世纪 80 年代末，Inoue[19-20]等人在这一领域方法得到了 La-Al-Ni-Cu、Zr-Al-Ni-Cu、 Mg-Y-金属玻璃体系。，不论是在金属玻璃制备工艺上，还是在强韧化年，Johnson[21-23]的研究拓展到对非晶合金的塑性塑性的块体非晶合金系，这个发现打破了以往非今，中科院物理研究所重点实验室的汪卫华[24-25]域取得重大突破，走在科研前列，不仅提供了新材料的研究树立了信心，相信，非晶材料可以凭产甚至人们日常生活中广泛应用。2008 年，新加三元非晶合金的棒状试样，直径可达到 8mm 。员的不懈努力，对金属玻璃的形成机理越来越了出了很多类大尺寸的块体非晶[28-29]

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图 1.3 采用非晶合金制成的高尔夫球杆晶合金是将液体和固体、金属和玻璃的特征集于一身的金属合金材料[10]。结构决定了非晶合金比晶态材料具有更多的优异性能，比如良好的力、磁学性能。通过不断深入的研究以及对非晶合金性能方面愈加的了解，使人合金材料产生兴趣，进而进一步发掘其力学、电磁学以及热力学方面性能，这一直促使着世界各国研究者不断努力、不断探索，进而推动了技术的改进的技术不仅使研究工作变得相对容易一些，而且降低了研究的成本，应用的步伐，使之在生活的方方面面应用越来越广泛，以满足社会发展的力学性能的应用力学性能首先被开发应用于体育用品，因为其比常规的金属的性能要稳定强度和韧性，且能积聚更多的弹性能。我们所熟知的高尔夫球头就是由非作的，当然，诸如棒球棒、网球拍以及自行车的零部件等诸多体育器材都金[50]，用非晶合金做体育器材不仅可以满足器材自身所要达到的质量要求有效保护运动员的情况下是运动员取得更高、更快、更强，使运动员取得推动体育更好的发展。

【参考文献】