Cu-Zr基原位内生非晶复合材料的制备及其力学性能研究

发布时间：2017-07-31 02:21

  本文关键词：Cu-Zr基原位内生非晶复合材料的制备及其力学性能研究

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【摘要】：Cu-Zr基非晶合金不仅具有高强度、低弹性模量和高弹性应变极限的特点，且在冷却过程中容易析出复杂多变的亚稳相，因此受到广泛关注。本论文以Cu-Zr基原位内生非晶复合材料为研究对象，采用真空电弧熔炼和铜模喷铸的方法成功制备出了含有弥散分布球形第二相的Cu-Zr-Al-Co非晶复合材料。研究了添加合金元素和冷却速率对非晶复合材料相组成、微观组织和应变率相关力学性能的影响，重点分析了产生加工硬化效应的机理和塑性变形能力提高的原因。 随着冷却速率的降低，Cu-Zr-Al三元合金由非晶结构转变为非晶相和晶体相的复合结构；Cu-Zr-Al-Co非晶复合材料中晶体相的体积分数逐渐增加，分布也更为均匀。相比于Cu-Zr-Al三元合金体系，说明Co元素能够促进合金熔体中形核核心的形成，有效地避免了大面积晶化现象的发生。其中，Cu47Zr46.5Al6Co0.5非晶复合材料的非晶基体中弥散分布着尺寸均一的球状B2-ZrCu相，体积分数约为10%。 对于Cu-Zr-Al三元合金，当组织为非晶结构时，试样在准静态压缩下表现出典型的脆性断裂特征；而当组织为非晶和晶体相的复合结构时，试样则表现出一定的塑性变形能力。相比之下，Cu-Zr-Al-Co非晶复合材料不仅具有良好的塑性变形能力，而且表现出明显的加工硬化现象，断裂应变均达到5%以上。其中Cu47Zr46.5Al6Co0.5非晶复合材料的断裂强度和应变最高，分别为2211MPa和9.06%，其良好的塑性变形能力主要依赖于晶体相与剪切带之间的相互作用和形变诱发的马氏体相变。 Cu-Zr-Al-Co非晶复合材料的加工硬化效应主要是由于形变诱发马氏体相变的强化作用。非晶复合材料在变形过程中发生了从B2-ZrCu相到ZrCu马氏体相的转变，相变起始于弹性变形阶段，随着变形量的增加，ZrCu马氏体相的体积分数也不断增加。ZrCu马氏体相相比于B2-ZrCu相硬度明显提高，这能够显著补偿非晶基体的应变软化。 在相对较低的应变率（2×10-4~2×10-2s-1）范围内，非晶复合材料表现出了明显的塑性变形行为，屈服强度随着应变率的增加而增加，呈现出正的应变率敏感性。这是由于材料内部少量的位错在变形中起到主导作用，，同时马氏体相变生成的ZrCu马氏体相提高了材料整体的强度。而在高应变率（1.2×103~3.6×103s-1）范围内，非晶复合材料的断裂强度随应变率的增加而减小，呈现出负的应变率敏感性。这是由于材料中的剪切带在变形中起到主导作用，高应变率导致剪切带内部的绝热升温，使材料局部发生软化甚至融化，产生微孔洞或微裂纹等缺陷，最终导致材料的突然性脆断。
【关键词】：非晶合金 复合材料 原位内生 形变诱发马氏体相变 应变率
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.8
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 引言11
• 1.2 非晶合金的发展和研究现状11-14
• 1.2.1 非晶合金的发展历史11-12
• 1.2.2 非晶合金的制备方法12-13
• 1.2.3 非晶合金的性能特点13-14
• 1.2.4 非晶合金的应用14
• 1.3 非晶复合材料的产生和发展14-17
• 1.3.1 非晶复合材料的产生和变形机理14-15
• 1.3.2 非晶复合材料的分类15-17
• 1.3.2.1 原位内生晶体相强化的非晶复合材料15-16
• 1.3.2.2 双非晶相复合材料16
• 1.3.2.3 外加相强化的非晶复合材料16-17
• 1.4 Cu-Zr 基非晶复合材料的研究历史和发展现状17-20
• 1.4.1 Cu-Zr 合金中马氏体相变的发现17
• 1.4.2 Cu-Zr 合金中 B2-ZrCu 相形成动力学条件17-18
• 1.4.3 含 B2 相的非晶复合材料形状记忆效应和力学性能的研究进展18-20
• 1.5 本论文的研究意义和主要内容20-22
• 参考文献22-26
• 第2章 实验方法26-37
• 2.1 实验方案26-27
• 2.2 实验样品的制备27-29
• 2.2.1 合金成分的确定27
• 2.2.2 母合金的制备27-29
• 2.2.3 非晶复合材料的制备29
• 2.3 非晶复合材料微观结构与物相分析29-33
• 2.3.1 物相分析29-30
• 2.3.2 形貌分析30-31
• 2.3.3 结构分析31-33
• 2.4 非晶复合材料力学性能测试33-36
• 2.4.1 显微硬度33
• 2.4.2 准静态压缩性能测试33
• 2.4.3 动态压缩性能测试33-36
• 参考文献36-37
• 第3章 Al 含量对 Cu-Zr 基原位内生非晶复合材料组织和性能的影响37-48
• 3.1 引言37
• 3.2 微观形貌和物相分析37-40
• 3.2.1 微观形貌37-38
• 3.2.2 物相分析38-40
• 3.3 准静态压缩力学行为研究40-45
• 3.3.1 准静态压缩力学性能分析40-43
• 3.3.2 断口形貌分析43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 参考文献46-48
• 第4章 Cu-Zr-Al-Co 四元非晶复合材料的组织及性能48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 微观形貌和物相分析48-52
• 4.2.1 微观形貌48-50
• 4.2.2 物相分析50-51
• 4.2.3 界面特征51-52
• 4.3 准静态压缩力学行为研究52-62
• 4.3.1 准静态压缩力学性能分析52-54
• 4.3.2 加工硬化效应54-58
• 4.3.2.1 加工硬化能力表征54-57
• 4.3.2.2 加工硬化机理分析57-58
• 4.3.3 原位高能 X 射线衍射分析58-60
• 4.3.4 塑性提高的机理60-62
• 4.3.4.1 晶体相与剪切带的相互作用60-61
• 4.3.4.2 形变诱发马氏体相变对塑性提高的影响61
• 4.3.4.3 形变诱发马氏体相变与剪切带产生的顺序和特点61-62
• 4.3.5 断口形貌分析62
• 4.4 本章小结62-64
• 参考文献64-65
• 第5章 Cu_(47)Zr_(46.5)Al_6Co_(0.5)非晶复合材料的动态压缩力学行为研究65-74
• 5.1 引言65
• 5.2 动态压缩力学行为研究65-68
• 5.2.1 动态压缩力学性能分析65-66
• 5.2.2 断口形貌分析66-68
• 5.3 应变率效应68-71
• 5.4 本章小结71-72
• 参考文献72-74
• 结论74-76
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单76-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨瑞青;范吉堂;李守新;张哲峰;;高应变率下Zr基非晶合金的单轴压缩断裂行为[J];实验室研究与探索;2007年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 邱丰;添加元素对Zr-Cu基合金组织与力学性能的影响规律[D];吉林大学;2009年

本文编号：597082