Co-B基非晶合金原子结构和增韧机理研究

发布时间：2020-09-15 10:06

　　本文以Co_(65-x)B_(35)Ta_x(at.%,x=0,5,8,11)和Co_(92-x)Ta_8B_x(at.%,x=30,32.5,35,37.5)非晶合金作为研究对象,采用第一性原理分子动力学模拟的方法对合金的原子尺度结构进行详细研究,重点分析合金成分、原子尺度结构及合金韧性之间的关系,揭示成分调整增韧合金的内在机理。根据模拟结果可知,Co-B基非晶合金以1551、1541和1431键对为主要键对结构。在Co-B基非晶合金体系中,Co为中心原子的多面体团簇以配位数为13和14的居多;B为中心原子的多面体团簇以配位数为9和10的居多;而Ta为中心原子的多面体团簇以配位数为14、15和16的居多。在这些多面体团簇中,形变棱柱结构(B为中心原子的0 3 6 0团簇)和形变二十面体(Co为中心原子的0 1 10 2团簇)占主导地位。团簇的最近邻相关指数分析结果表明,以B为中心原子的0 3 6 0和0 2 8 0团簇在空间中均表现出非关联性;而以Co为中心原子的0 1 10 2、0 3 6 4和0 2 8 4团簇的空间相关性随合金成分的变化,其周围环境的变化而发生变化。在Co_(65)B_(35)合金中加入适量Ta元素(Co_(60)B_(35)Ta_5合金),共价性的Co-B键减少,离子性的B-Ta键和Co-Ta键增加,即Ta元素替代合金中的Co元素弱化了团簇内金属与类金属间的结合力,降低团簇的稳定性和剪切抗力,提高合金的韧性。此外,Co_(60)B_(35)Ta_5合金中大多数类型团簇间均相互排斥,团簇在空间中通过配位原子相连接构成结构较疏松的中程序结构,该结构具有更低的构型转换障碍,因而更易发生剪切变形,合金韧性提高。通常而言,当非晶合金的泊松比高于0.32-0.33时,将更容易显示出一定的韧性。Ta元素的添加能显著提高Co-B基非晶合金的泊松比,使其值达到0.32以上,这对于改善Co-B基非晶合金的韧性具有积极的意义,该结果与先前的实验结果相一致。随Ta含量增加,共价性的B-B键含量增加;并且,B与B间形成共价键合时,剩下没被占据的2p轨道将接受Ta转移的电子,导致B-B键合强度增加,促使以B为中心原子的团簇结构更稳定;与此同时,除以B为中心原子的0 3 6 0和0 2 8 0团簇在空间中表现出非关联性外,其余团簇之间均表现出较好的关联性,团簇间通过中心原子连接进而在空间中形成更为稳定的中程序结构,合金强度增加,韧性降低。在Co_(92-x)Ta_8B_x(at.%,x=30,32.5,35,37.5)非晶合金中,随B含量的增加,合金中共价性的Co-B和B-B键以及离子性的B-Ta键的含量增加,而金属性的Co-Co键的含量降低,合金强度增加。在Co_(62)Ta_8B_(30)合金中,含量较高的5种团簇(以B为中心原子的0 3 6 0、0 2 8 0以及以Co为中心原子的0 1 10 2、0 3 6 4和0 2 8 4团簇)均表现为自身非相关性,即在该合金中,同类型团簇间相互排斥,团簇在空间中均匀分布。相应地,团簇间通过配位原子相连接在空间中形成结构较疏松的中程序结构,这将降低团簇结构的稳定性,从而提高合金的韧性。明显的,适量B元素的添加(30 at.%)能将合金的泊松比提高到0.33以上,这也说明Co_(62)Ta_8B_(30)合金具有最好的韧性,这与实验结果一致。上述研究分析表明,Co-B基非晶合金的力学性能是合金中原子键合和团簇空间分布共同作用的结果,通过适当调整合金成分能改变合金的原子结构,并在一定程度上改善合金的韧性。本文关于利用计算模拟的手段进行合金成分、原子结构和力学性能之间关系的研究对新型非晶合金成分设计和开发具有科学的指导和借鉴意义。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139.8
【部分图文】：

断口形貌,非晶合金,课题组,脆性

1 绪论切断裂模式的非晶合金（如 Zr、Cu、Au 和 Pd 基非晶合金）断解理强度 0低（即 = 0/ 0值低），合金容易发生剪切变形形，试样最终沿主剪切带方向断裂成两段，断口表面多呈脉合金通常具有一定的宏观塑性。呈劈裂断裂模式的非晶合金基非晶合金）值高，抗剪切强度 0相对较高，合金难以以剪，而是以快速解理的方式劈裂成若干个碎片，碎片表面往往性断口形貌，这类合金的塑性通常很小、甚至为零。其中，大晶合金压缩过程中几乎观察不到宏观剪切塑性变形，其断裂至呈现出极端的碎断模式，即在压缩载荷作用下试样劈裂成粉末（如图 1.1 所示）。由此可知，超高强 Co B 基块体非晶性问题，这也成为限制其作为结构材料使用的主要因素。

断口形貌,非晶合金,断口形貌,剪切带

1 绪论基体上剪切带的快速扩展，并促使其增殖；表面处理则是通入缺陷等方法控制剪切带的扩展和繁殖（如在表面引入的缺快速扩展，促使剪切带的繁殖，并在缺陷间形成多级剪切带区块体非晶合金的抗剪切强度 0较高，难以发生剪切变形，因此提高合金自身的剪切变形能力是改善其韧性的有效手段。Wa明[11,19]，调整 Ta 和 B 元素的含量可以改善 Co B Ta 非晶合金促进剪切带的萌生和繁殖，提高压缩塑性；同时，还能改变使合金的断裂从以碎断为主的混合断裂模式转变为以剪切断模式（如图 1.2 和图 1.3[19]所示）。Dun 等[20]采用相同的方法优达到 5%的 Co B Nb 块体非晶合金。尽管如此，这些超高强的韧性仍远低于 Pd 基、Pt 基、Zr 基和 Cu 基等块体非晶合金

模型图,硬球,密堆积,无规

1 绪论和 Ni B）非晶合金的结构，他们发现构与之前观察到的许多非晶合金的原x 和 Frost[30]通过研究 Pd Si、Fe P 和合金中八面体和三角棱柱两种结构对续无规网络模型并不具有普适性。

【参考文献】