“相变诱导塑性”增韧大块非晶复合材料的制备及其力学性能研究

发布时间：2020-09-30 19:18

　　非晶态合金原子排列具有长程无序、短程有序的结构特点,不含有传统晶体材料常见的位错、晶界等缺陷,因而呈现出许多独特的物理、化学及力学性能,受到人们的广泛关注。然而,非晶态合金的应变软化和室温脆性成为限制其工程应用的瓶颈。通过将“相变诱导塑性”的概念引入到非晶态合金中,本课题组成功制备出具有高的屈服强度,显著加工硬化能力和优良拉伸塑性的非晶复合材料。但是,目前所开发的“相变诱导塑性”效应增韧的晶复合材料的尺寸受限,严重限制了非晶态合金作为结构材料的广泛工程应用。同时,目前所开发的“相变诱导塑性”增韧的非晶复合材料组织对合金化元素及工艺等非常敏感,晶体增强相不够稳定,极易长大联结。此外,“相变诱导塑性”增韧非晶复合材料的变形机理以及变形过程中的组织演化尚不清晰。因此,亟待开发更加稳定的大尺寸“相变诱导塑性”增韧的非晶复合材料,并探索揭示其变形机理。基于以上亟待解决的科学问题和工程问题,本论文首先系统研究了合金化元素A1和Ag对CuZr基非晶复合材料非晶形成能力和亚稳奥氏体B2-CuZr相稳定性的影响,发现Al和Ag均能提高非晶基体的非晶形成能力。在此基础上,建立了 A1添加量-Ag添加量-冷却速度-相组成之间的选择关系,为制备出大尺寸的含有单一 B2-CuZr增强相的非晶复合材料奠定了基础;其次,本论文将异质形核理论引入非晶态合金,发现少量Sn的添加能与合金主组元Zr反应生成非常稳定的金属间化合物Zr5Sn3,Zr5Sn3与亚稳奥氏体B2-CuZr相具有相当低的二维面错配度,因而在快冷过程中,能作为形核剂促进B2-CuZr相形核,从而得到均匀弥散的非晶复合材料组织(晶体相尺寸小于100 um)。研究还发现,Sn元素的添加不仅能提高非晶基体的非晶形成能力,而且对B2-CuZr的马氏体相变能力影响不大。最后,本论文详细研究了近厘米级“相变诱导塑性”增韧的非晶复合材料变形过程中的组织演化规律及变形机理。研究发现该类非晶复合材料中具有微米级和纳米级两种尺寸的B2-CuZr相。在变形过程中,微米级B2-CuZr通过切变方式转变为含有大量高密度位错的马氏体板条,而纳米级B2-CuZr通过孪晶的方式进行切变转变为B19'-CuZr马氏体相。通过对中断拉伸试样的组织表征,发现铸态条件下,Cu46.25Zr48Al4Ag1Sn0.75非晶复合材料中晶体相由大量明暗相间的亚晶组成,明相为B2-CuZr,暗相为具有超点阵结构的B2-CuZr。初生马氏体优先在亚晶界形核,并向明相(B2-CuZr)延伸。随着拉伸的继续,初生马氏体板条扩展长大直至材料失效。在变形过程中,亚稳奥氏体相发生马氏体相变,吸收大量应变能,且该晶相能有效阻碍剪切带扩展,促进剪切带增殖,从而使得材料获得良好的拉伸塑性和显著的加工硬化能力。本论文的研究工作不仅适用于CuZr基非晶态合金,对其它大尺寸“相变诱导塑性”增韧非晶复合材料体系的开发、组织调控、性能优化和变形机理研究都具有重要意义,极大地拓宽了非晶态合金作为结构材料的工程应用前景。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

扫描图,原位生成,非晶,复合材料

ｆ；邋；邋ｉｎｉ逡逑ｎｒ：／邋Ｈ邋＼ｒ逡逑＆邋Ｉ邋１邋？逡逑０．００逦０．０２逦０．０４逦０．０６逦０．０８逦０－１０逡逑Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋ｓｔｒａｉｎ逡逑图２－２原位生成Ｂ２相ＣｕＺｒ基非晶复合材料ｌ１５ｌ逡逑－１１邋－逡逑

二元相图,二元相图,晶体结构,马氏体转变

在合金化方面，基于Ａ１对ＣｕＺｒ非晶体系非晶形成能力的显著作用，作逡逑者所在研宄组系统研宄了不同Ａ１含量对ＣｕＺｒ基非晶复合材料组织和性能的逡逑影响图２＿４（ａ）为不同Ａ１含量的ＣｕＺｒＡｌ体系非晶态合金的差示热量扫描逡逑（ＤＳＣ）结果，随着Ａ１含量的增加，奥氏体转变温度和马氏体转变温度都明逡逑显降低，说明Ａ１的加入稳定了高温下的奥氏体型晶相，而且使马氏体转变变逡逑得更加困难。图２－４（ｂ）从相竞争的角度，通过ＴＴＴ邋（Ｔｉｍｅ邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－逡逑Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）曲线对该非晶复合材料中Ｂ２相的形成进行了描述。当Ａ１含逡逑量较少（彡２邋ａｔ．％）时，冷却速度需大于ＣｕＺｒ相析出的冷却速度才能形成非逡逑晶，而当冷却速度小于临界冷却速度时，高温稳定的Ｂ２－ＣｕＺｒ相会析出，而逡逑由于此时马氏体转变温度和玻璃转变温度比较接近，析出的Ｂ２－ＣｕＺｒ相很容逡逑易转变成为马氏体ＣｕＺｒ相。当Ａ１含量增加为３－８邋ａｔ．％时，由于较多的Ａ１需逡逑要排出

曲线,合金马氏体,奥氏体转变,转变温度

在冷却速度不足以生成全非晶结构时，ＡｈＺｒ相率先析出成为先析逡逑出相，造成合金非晶形成能力的下降，同时合金无法生成单一邋Ｂ２－ＣｕＺｒ相加逡逑非晶基体的结构（如图２－４（ｂ）中红色虚线所示）。因此，第二相为单一的亚稳逡逑奥氏体相的非晶复合材料只有在一定的成分范围和合适的冷却速度，亦即一逡逑定的热力学和动力学平衡条件下才能实现。研宄合金化元素对合金的非晶形逡逑成能力、亚稳奥氏体相的形成及其马氏体相变能力的作用十分必要。逡逑￣逦（ａｙ逡逑ｙ－Ｘ邋ｓ逦Ｃｏｏｌｉｎｇ逡逑NB逦一逦逦逦逦逦ＡＩ６逡逑—逦ＡＩＯ逡逑0逡逑ｉ逦一＿邋ＡＩ６逡逑｜逦二一二邋ＡＩ４逡逑逦象逦逦ＡＩ０逡逑￣Ｉ逦？逦｜逦１逦Ｉ逦１逡逑２００逦４００逦６００逦８００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，邋Ｋ逡逑－１７邋－逡逑

【参考文献】