Cu-Zr-Al基非晶合金的超塑性及晶化动力学研究

发布时间：2020-07-27 23:13

【摘要】：非晶合金因其优良而独特的性能在众多领域有巨大的应用潜力,Cu-Zr基非晶合金更是具有高玻璃形成能力、高热稳定性等优良性能。但非晶合金的室温脆性和应变软化限制了其在工程领域的应用,因此利用非晶合金的超塑性进行成型加工将有效开发其应用价值。要实现非晶合金的超塑性加工,必须掌握非晶合金在过冷液相区的变形规律,有效控制非晶合金在承受环境热和外力时产生的结构及性能变化。本文采用高温压缩实验研究了(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2块体非晶合金过冷液相区的变形规律,采用X射线衍射仪(XRD)及透射电子显微镜(TEM)分析了不同变形条件对(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金组织结构的影响,研究了超塑性变形对非晶合金力学性能及热性能的影响,并运用差示扫描量热分析法对(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金进行热力学测试,对(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金的非等温及等温晶化动力学进行了计算和分析。对(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金的超塑性变形行为的研究表明:当(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金的变形温度在713K且应变速率大于5×10~(-3)s~(-1)时发生脆性断裂。合金在不同的变形条件呈现不同的状态,“分界线”为使合金处于牛顿粘性流体与非牛顿流体状态的变形条件的分界线,当变形条件在“分界线”以上时,合金表现为非牛顿粘性流动状态,当变形条件在“分界线”以下时,合金表现为牛顿粘性流动状态。不同变形条件下的(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2合金,温度越高或应变速率越低时结构转变越明显。变形后样品的抗压强度均略低于铸态时的抗压强度,仍保留着铸态时的高强度特性。随着变形温度的升高或应变速率的降低,超塑性变形后的合金的晶化温度T_x降低,过冷液相区范围变窄,放热焓值也降低。(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金发生晶化的条件是温度在733K以上及应变速率小于等于1×10~(-3)s~(-1)。当条件达到使非晶合金处于牛顿粘性流体状态且不发生晶化时适合超塑性加工,(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金合适的超塑性加工参数范围:变形条件在“分界线”以下,且当温度高于733K时,应变速率必须大于1×10~(-3)s~(-1)。对(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金的非等温及等温晶化动力学的研究表明:非等温条件下,(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金的T_g、T_x和T_p随升温速率的增加均向高温方向移动,表现出明显的动力学效应,且晶化的动力学效应更为突出。Y含量的变化对非晶合金的结晶动力学产生了影响,当x=2时,成核和长大过程比x=1时容易,随着Y含量的增加(x=3),成核和长大过程又变得困难。随着α的增加,(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金的局域Avrami指数随着α的增加而减小,且在开始阶段n4,结晶速率较快,结晶量不断增加,在后期阶段2n4,结晶速率降低,结晶缓慢进行。等温条件下,(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_((100-x))Y_x(x=1,2,3)非晶合金的孕育期均随着保温温度的升高而缩短。三种非晶合金在结晶过程中,晶化体积分数的变化速度随着保温温度的升高而加快,激活能随晶化体积分数的增加而降低。通过计算Avrami指数知,三种非晶合金在结晶过程中晶粒的生长均是由扩散控制的三维生长。(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(99)Y_1、(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(97)Y_3非晶合金在结晶过程中晶粒的生长主要是伴随着成核速率增加的小颗粒的生长,(Cu_(43)Zr_(48)Al_9)_(98)Y_2非晶合金在结晶过程中晶粒的生长主要是伴随着成核速率减小的晶粒的生长。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8
【图文】：

TTT曲线,玻璃形成能力,TTT曲线,合金熔体

图 1.1 具有不同玻璃形成能力的合金熔体的 TTT 曲线晶合金的结构特征体非晶合金的微观结构与晶态合金完全不同，可以从三个方面进行表述：（1金的结构不存在成分偏析、第二相和夹杂物，呈现致密的无序堆积状态[11]；（晶合金内部原子排列只存在短程的有序，近邻和次近邻的原子键合具有一定是一种有缺陷、不完整的有序[11]；（3）块体非晶合金是一种亚稳态材料，如的条件，亚稳的非晶相会向稳定的晶化相转变，如将其在低温下退火，非晶合构弛豫，将其在高温下退火，非晶合金则会发生晶化，两种形式都会使非晶合发生变化，从而达到另一种亚稳态[12]。图 1.2(a)、(b)分别为晶态合金和非晶态子排列图。

示意图,非晶态合金,非晶合金,示意图

图 1.1 具有不同玻璃形成能力的合金熔体的 TTT 曲线.2.1 非晶合金的结构特征块体非晶合金的微观结构与晶态合金完全不同，可以从三个方面进行表述：（1）态合金的结构不存在成分偏析、第二相和夹杂物，呈现致密的无序堆积状态[11]；（体非晶合金内部原子排列只存在短程的有序，近邻和次近邻的原子键合具有一定的，即是一种有缺陷、不完整的有序[11]；（3）块体非晶合金是一种亚稳态材料，如果一定的条件，亚稳的非晶相会向稳定的晶化相转变，如将其在低温下退火，非晶合金生结构弛豫，将其在高温下退火，非晶合金则会发生晶化，两种形式都会使非晶合金排列发生变化，从而达到另一种亚稳态[12]。图 1.2(a)、(b)分别为晶态合金和非晶态合部原子排列图。

示意图,吉布斯自由能,晶态,示意图

固态的吉布斯自由能 G 比液态低，当温度在熔点 Tm以上时，液态的吉布斯自由能比固态更低，图1.3 为晶态和液态的吉布斯自由能示意图。其中，Tm为物质的熔点，Ts为物质的凝固温度， T 为过冷度， Gv为单位体积物质凝固的驱动力。图 1.3 晶态和液态的吉布斯自由能示意图因此，当温度处于熔点以下时，液体会有凝固的趋势。结晶过程一般伴随着晶体的形核和长大，若要发生结晶则需要克服能量势垒，如原子扩散和固液界面能等。在结晶的过程中，晶态的吉布斯自由能与液态的吉布斯自由能的差值会作为驱动力， T 为过冷度，它表示物质熔点与实际结晶温度的差值， Gv为固、液两相的吉布斯自由能差。合金变为金属玻璃的条件是当合金液体过冷到 Tg以下且没有发生结晶。因此，在冷却的过程中，液态金属合金可通过两种方式转变为固态，图 1.4 为非晶合金形成的原理

【参考文献】