压缩塑性变形对Zr基块体金属玻璃结构和性能的影响

发布时间：2019-11-29 13:20

【摘要】：块体金属玻璃,由于具有独特性能,如高强度、高弹性极限、优异的软磁性能以及良好的耐腐蚀性,近年来吸引了人们广泛关注。室温下,金属玻璃发生非均匀塑性变形,即变形高度局域化于剪切带。然而,由于剪切带具有应变软化的本质,金属玻璃在变形时,剪切变形通常集中在某个或几个主剪切带上,直至发生断裂,因此金属玻璃宏观延展性很低。金属玻璃的室温脆性极大地限制了其作为结构材料的应用。此外,非均匀塑性变形对金属玻璃结构与性能有很大影响。相对未变形的非晶基体,剪切带上有更多的自由体积。伴随剪切带引入,增加的自由体积会导致金属玻璃的软化,而剪切带相互作用却会导致金属玻璃的硬化。然而,自由体积及剪切带相互作用这两种竞争因素如何共同影响金属玻璃力学性能尚不清楚。因此,研究金属玻璃塑性变形中剪切带和自由体积的演化,对理解金属玻璃的非均匀塑性变形机理、克服金属玻璃的脆性、探究变形后金属玻璃结构和性能的关联具有重要意义。其次,减小剪切带间距是克服金属玻璃脆性难题的重要途径。因此,引入分布均匀、间距细小的剪切带,对于解决该难题有重要价值。最后,探索具有良好综合性能的合金成分,可拓宽金属玻璃在各领域的应用。元素添加是开发具有良好综合性能的金属玻璃体系的有效手段。因此,深入研究元素添加对金属玻璃结构、玻璃形成能力和性能的影响具有重要意义。基于以上这些问题,本论文开展了以下三部分工作:(1)研究了Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃压缩塑性变形中剪切带、自由体积的演化。分析研究了自由体积和剪切带共同作用对金属玻璃硬度的影响。使用X射线衍射(XRD)及透射电子显微术(TEM)对样品结构进行表征分析。通过扫描电子显微术(SEM)及统计方法定量研究了塑性变形中剪切带密度、剪切带间距及其分布、剪切带相互作用的演化。使用差示扫描量热法(DSC)对Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃中自由体积的绝对含量实现定量确定。研究表明,Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃的硬度随应变的变化展现出先下降后增加的变化趋势。当应变从6%增加至83%时,剪切带密度从0.04μm-1增加至0.92μm-1,平均剪切带间距从25.4μm减小至1.1μm,剪切带间距的分布宽度逐渐缩小。剪切带交割点数目随应变的增加而增加。当应变大于47%时,大量的细微剪切带形成,剪切带交割点数目随应变增加而快速增加。室温下样品中自由体积绝对含量随应变增加而单调增加。自由体积导致的软化和剪切带相互作用导致的硬化共同影响Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃的硬度变化。应变0%至47%范围内,硬度下降的原因是增加的自由体积导致的软化。应变47%至83%范围内,剪切带相互作用导致的硬化除抵消自由体积导致的软化外,还导致硬度随应变增加而增加。反复压缩循环试验结果表明,随剪切带相互作用增大,Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃呈现出明显的几何硬化行为。(2)采用压缩塑性变形,在含弧形边沿的韧性Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)金属玻璃中引入了分布广、间距细小的高密度剪切带。所引入剪切带的平均间距为520nm左右。部分区域内剪切带间距降至110 nm左右。此外,采用压缩塑性变形,在含弧形边沿的脆性Cu_(60)Zr_(30)Ti_(10)金属玻璃中也引入了高密度剪切带。(3)系统研究了Ti添加对Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)块体金属玻璃的结构、玻璃形成能力、晶化方式及性能的影响。本工作采用水冷Cu模吸铸法制备(Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10))_(100-x)Ti_x(x=0-7)块体金属玻璃。XRD结果表明,在Ti含量为x=0-7范围内,合金结构均为非晶态。Ti添加提高了约化玻璃转变温度。综合分析约化玻璃转变温度及XRD结果得出,Ti添加提高了Zr-Cu-Ni-Al体系的玻璃形成能力。相比于Ti含量为x=0和1的样品,当Ti含量x≥2时,合金的晶化行为表现为两步晶化,且第一步晶化的产物为二十面体准晶,表明合金的非晶基体中存在大量强二十面体短程序。当Ti含量x≤6时,(Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10))_(100-x)Ti_x块体金属玻璃具有室温超大延展性,应变达80%以上。此外,Ti添加还增强了Zr-Cu-Ni-Al金属玻璃的抗腐蚀能力。研究表明,开发的Zr-Cu-Ni-Al-Ti块体金属玻璃体系,不仅在宽成分范围内具有室温超大延展性,而且其玻璃形成能力和耐腐蚀性也得到提高。
【图文】：

示意图,玻璃化转变,结晶,体积

又称非晶态合金，是一种主要由金属元素组成的非晶种兼具金属和玻璃优异力学、物理和化学性能的新型材料术制备[2]。却速率不同，熔体在冷却过程中会凝固形成两种具有完全体。如图 1-1 所示，当冷却速率较缓慢时，熔体的原子有

金属玻璃,块体金属玻璃,传统材料,弹性应变

用于制造性能优异的弹簧(见图 1-3(b) )[39]。由于具有高弹性特点，块体金属玻璃可以延长子弹与装甲之间的相互作用时间，，进而达到减少冲击的目的，因此块体金属玻璃还可用于制作复合装甲夹层。此外，有些块体金属玻璃的断裂韧性很高如 Zr-Ti-Cu-Ni-Be 金属玻璃的断裂韧性可达 86 MPa·m1/2，Cu-Zr-Hf-Ti 金属玻璃的断裂韧性可达 67 MPa·m1/2 [40]。在军事工业领域内，金属玻璃也具有良好的应用前景，如由块体金属玻璃和金属 W 丝合成的复合材料在侵彻金属时具有良好的自锐性，是穿甲弹材料最为优异的候选者之一[41]。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.1

【参考文献】