铁基块体金属玻璃的制备及其增塑研究

发布时间：2019-07-20 17:18

【摘要】：Fe基块体金属玻璃因其具有超高的强度、极高的硬度、很大的弹性极限和相对低廉的材料成本等优异的性能,使其成为前景最为广阔的下一代新型高强度结构材料之一。然而,在室温下的塑性变形能力极差和较低的玻璃形成能力严重制约了Fe基块体金属玻璃的广泛应用。因此,开发新型的高强度兼良好室温塑性的Fe基块体金属玻璃及其复合材料,成为当前金属玻璃领域的热门课题,具有十分重要意义。根据金属玻璃形成组元的不同,Fe基块体金属玻璃可大致划分为Fe-P-C体系、Fe-B体系和Fe-C-B体系三大类型,其中Fe-P-C体系的块体金属玻璃相较与其他体系的块体金属玻璃具有较好的塑性和韧性,而Fe-C-B体系的块体金属玻璃则具有较好的玻璃形成能力。为了提高Fe基块体金属玻璃的室温塑性和玻璃形成能力,本文采用微合金化手段发展了良好室温塑性的单一非晶相的块体金属玻璃和原位析出不同晶粒尺寸的α-Fe晶体相来增强Fe基块体金属玻璃室温塑性的研究思路。通过合理的成分和结构设计,以Fe-Mo-P-C四元块体金属玻璃为原始合金成分,通过添加不同含量的B元素,进一步提高其玻璃形成能力和室温塑性。另外,以原位析出微米级α-Fe晶体相的Fe77Mo5P9C7.5B1.5的块体金属玻璃基复合材料为原始成分,通过添加不同含量的Cu元素,使得样品析出纳米级α-Fe晶体相的方法,制备含有微米-纳米复合增强的α-Fe晶体相的新型块体金属玻璃复合材料。利用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、示差扫描量热仪(DSC)、万能材料试验机等实验手段系统研究了其显微结构、热稳定性及室温力学行为。主要的结论概括如下:1、在Fe-Mo-P-C体系中,B元素对于α-Fe相有着强烈的抑制作用,同时也会抑制Fe-P相Fe-C相。少量添加B元素(B(27)1.5 at.%)时,可以使Fe-P-C体系的块体金属玻璃的玻璃形成能力增强。但是过量添加B元素(B1.5 at.%)时,会使得Fe-B相成为优先析出相析出,破坏了原有成分的玻璃形成能力,导致样品的玻璃形成能力降低。2、随着样品中B元素(B=0.5,1,1.5 and 2 at.%)的不断增加,样品的玻璃转变温度Tg和玻璃转变激活能Eg都在升高。同时,样品的综合力学性能却有所下降。这说明样品的综合力学性能与玻璃转变温度和玻璃转化激活能有着一定的内在联系,即具有较高的玻璃转变温度和较大的玻璃转变激活能的样品,其室温塑性变形能力较差。相反,具有低的玻璃转变温度和玻璃转变激活能的样品塑性变形能力较好。3、随着B元素(B=0.5,1,1.5 and 2 at.%)增加,样品的从室温到玻璃转变温度的平均热膨胀系数ɑg和相同成分的晶态合金平均热膨胀系数ɑc以及ɑc和ɑg的差值Δɑ都表现出了先增大,后减小的趋势。同时,随着样品中B元素的增加,样品的脆度系数m逐渐减小,表明了样品从液态到过冷液态时,粘度变化速度不断减小。这说明了样品发生了从fragile到strong的转变,即随着B元素的添加,玻璃形成能力逐渐的加强。当前研究表明,Fe基块体金属玻璃的平均热膨胀系数ɑg越大,脆度系数m越小,样品的玻璃形成能力越大。4、在Fe77Mo5P9C7.5B1.5块体金属玻璃基复合材料中,通过添加不同含量的Cu元素(Cu=0,0.1,0.3,0.5,0.7 and 1.0 at.%),结果表明,样品的综合力学性能随着Cu元素的增加而表现出先上升后下降的趋势,当Cu元素的含量在0.1 at.%时,样品的综合力学性能最好,在压缩模式下,其室温塑性高达~7%。研究表明,当Cu含量为0.1%时,合金中纳米晶尺寸在约1-10nm,有利于多重剪切带的萌生。同时,析出的微米级α-Fe晶体相能够显著避免剪切带的迅速失稳,从而增加了合金室温塑性变形能力。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG139.8

【参考文献】