延展性金属玻璃的原子结构研究

发布时间：2020-03-22 03:45

【摘要】：金属玻璃具有高强度、高硬度,以及优良的耐腐蚀性、生物融合性等优异的性能,但延展性差,在低温下极易发生脆性断裂,因而极大地限制了其在工程中的应用。近年来,研究人员基于引入或内生第二相制备晶体与非晶的复合材料、提高自由体积制备“多孔”金属玻璃、设计制备类似同质多晶结构的双非晶相金属玻璃三种方法,开发了许多具有一定延展性的材料,并探索了金属玻璃的延展性机理。但当前的研究很少从原子结构的角度揭示延展性机理,不能满足研究生产需要。本文选取上述三种方法中具有代表性的、具有一定延展性的金属玻璃Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)、Cu_(49)Hf_(42)Al_9、Ti_(49)Nb_(42)Al_9作为对象,在原子尺度上,阐明了金属玻璃的原子结构,并探讨了其延展性机理。目前对金属玻璃微观结构研究,主要使用的X射线衍射、中子衍射受到散射角太小或样品体积的限制,难以进行精确的径向分布函数RDF(Radial Distribution Function)分析,而电子衍射的散射截面较大,分辨率高,因而能够研究更小的材料样品,有利于精确的RDF分析。因此,本文用电子衍射,结合RDF分析,以及反蒙特卡罗RMC(Reverse Monte Carlo)、密度泛函DFT(Density Functional Theory)模拟优化,研究金属玻璃的原子结构,探讨金属玻璃的微观结构与延展性等宏观性能的关系,揭示其延展性机理。主要研究内容和结论如下:第一章阐述了研究背景与意义,介绍了金属玻璃的结构与性能、微观结构的研究方法,电子源RDF分析的发展与应用,以及模拟计算在金属玻璃材料研究中的应用,并指明了本文的研究内容与创新点。第二章主要介绍了电子衍射,径向分布函数RDF分析,模型的建立,以及RMC、DFT模拟优化等研究方法与基本理论。第三章使用电子衍射研究了Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)金属玻璃的晶相与非晶相的原子结构,揭示了内生晶相金属玻璃的延展性机理。研究发现,Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)金属玻璃是晶体与无定型结构的混合体,直径约5 nm的Pd_(11)Zr_9晶体具有一致的尺寸,均匀分布在组分为Pd_(25)Zr_(55)Al_(20)的非晶态基体中,且形成一种联通网络。模拟结果显示,Pd-Zr和Zr-Zr原子对PRDF(Partial Radical Distribution Function)的第一邻近距离峰值分别位于3.00?、2.92?,对材料RDF第一邻近距离贡献最大。Zr、Pd、Al三种原子浓度、半径的差别,Zr-Pd原子间强烈的相互作用,以及熔点的差异形成纳米晶和非晶相竞争生长机制。纳米晶和非晶相均形成了相互交织渗透的三维联通网络,并具有良好的界面,两相间临界剪切应力的差异有利于剪切带的生成,使金属玻璃具有延展性。第四章研究了Cu_(49)Hf_(42)Al_9金属玻璃的微区原子结构,揭示了高自由体积金属玻璃的延展性机理。电子衍射实验RDF分析表明,压应力应变测试后,金属玻璃仍然是完全无定形的结构。压缩样本的基体与未经压缩的合金结构相同,表明大块金属玻璃的塑性变形被限制在剪切带中。自由体积看作是基体中存在剪切模量G=0的第二相,与基体之间存在较大的剪切模量差异,容易促进剪切带的增殖,有利于金属玻璃获得一定的延展性。模拟结果表明,Cu-Cu、Hf-Cu、和Hf-Hf原子对PRDF第一邻近距离峰值分别位于2.56?、2.78?和3.23?。铜原子主要填充在铪原子间,而Hf-Cu和Hf-Hf对原子邻近距离的贡献最大。Hf-Hf原子对有宽的分布,外部施加应力时,能在较大的距离范围形成稳定的连接,从而使金属玻璃具有延展性。第五章研究了Ti_(49)Nb_(42)Al_9金属玻璃的微区原子结构,揭示了双非晶相的微区原子结构差异使金属玻璃具有延展性的机制。实验表明Ti_(49)Nb_(42)Al_9金属玻璃是完全的无定型结构。从电子衍射获取的微区RDF,发现两种截然不同的微区无定型结构:A型、B型,两种类似同质多晶的双非晶相结构,其中,A型在实验中更容易发现。PRDF显示了Ti-Nb、Nb-Nb、Nb-Al第一和第二邻近距离的增加,伴随着Ti-Ti第一和第二邻近距离的缩短。研究发现Ti-Ti-Nb-Ti和Ti-Ti-Nb-Al两种环状结构,A型具有更多Ti-Ti-Nb-Ti环状结构,而在B型中,Ti-Ti-Nb-Al比A型中多一些。双非晶相的产生是由于材料局部区域原子的邻近距离、化学成分、连接方式等差异造成的,数量众多的两种非晶相界面具有较高的临界剪切应力,在一定程度上阻止裂纹扩展,有利于剪切带增殖,使金属玻璃具有延展性。电子衍射是研究金属玻璃结构和性能的强有力手段。RDF分析呈现了金属玻璃Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)、Cu_(49)Hf_(42)Al_9、Ti_(49)Nb_(42)Al_9的原子分布。用RMC、DFT模拟优化原子模型获取PRDF,并讨论了原子间邻近距离、原子连接及原子间的相互作用等微区原子结构。最后从原子结构角度揭示了晶体—非晶复合材料、高自由体积、双非晶相结构三种金属玻璃的延展性机理。
【图文】：

示意图,体积温度,熔体,金属玻璃

即 Voronoi 指数。一个二十面体的 Voronoi 指数是<0描述金属玻璃结构的重要参数。早在 1952 年，Frank[25排列在另一个硬球的周围，如果这些排列方式之间不能化，有 3 种方式，即常见的 FCC，HCP 堆积和二十面某些金属玻璃中不存在或者所占比例非常低[26]，因此，，属玻璃体系的原子结构。制形成过程是合金从高温熔融态快速降温的过程，该过程中的原子来不及重排形成有序结构，所以在体系中不析璃。金属玻璃的形成与降温速率有极大的关系，随着温生了变化，拓扑结构得以形成。图 1-1 所示为熔体的体化情况。

示意图,聚光照明,和会,平行光

第一章绪论和镍对玻璃态二氧化硅和非晶碳薄膜进行了精确校准，采用方位角平均法对衍射图样和强度进行积分，并将强度转换为 RDF，进而与 Mozzi 等人[75]利用 X 射线和中子衍射进行了对比，发现这种方法也能够取得很好的准确性。1.4.2 会聚束衍射Cockayne 等人之前证明的 RDF 分析，仅限于使用平行光照形成的衍射图样，以确保点 p 处测量的强度来自特定的散射矢量，如图 1-2 所示。然而，由于平行探针的尺寸的限制，为了研究材料更小的体积，McBride 等人[76]探索使用会聚光束照射的衍射技术。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8

【参考文献】