脉冲电流处理对 Ti 基及 Zr 非晶合金微观结构和力学特性影响

发布时间：2016-05-13 10:31

第 1 章 绪 论

独特的类液体结构造就了非晶合金诸多优异的力学、物理和化学性能[2]，这些优异的性能使得非晶合金材料在很多领域具有广阔的应用前景。如在军事领域，非晶合金在动态加载条件下，由局部剪切变形造成的自锐性使得非晶合金特别适合用于制备动能穿甲弹，从而代替具有严重污染的贫铀穿甲弹；在航空航天领域，由于块体非晶合金中的原子是随机密堆排列的，没有晶体结构的通道效应，故用ZrAlNiCu块体非晶合金制成的太阳风搜集器[3]可有效地截留高能粒子；在医疗领域，块体非晶合金相较于现今金属生物医用材料具有更好的机械性能，更高的耐腐蚀、耐磨性，以及优异的生物相容性等[4-5]，可被用于制备性能更卓越的外科手术器件或者人造骨骼等。然而，非晶合金在室温下的塑性变形极不均匀，其塑性主要集中在厚约~20nm的剪切带中，表现为高度局域化的不均匀的塑性流变[6-8]，故而，在室温条件下，块体非晶合金在外力作用下发生变形时，将只形成少量剪切带，并快速扩展形成裂纹。因此，块体非晶合金在室温变形时均发生灾难性脆性断裂。
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第 2 章 实验材料制备与研究方法

2.1 TiZrNiCuBe 及 ZrCuNiAl 块体非晶合金的制备
将纯度在 99.9%以上的 Ti、Zr、Ni、Cu、Be、Al 金属元素按配比组合。制备前，为了防止炉内残余物污染样品，需用酒精棉仔细清理铜坩埚和炉壁。熔炼母合金锭前，首先需先熔化另一坩埚中的海绵钛 2~3min，以吸附炉腔内的可能残余氧气等杂质气体。金属原材料经引弧熔化后，对金属液进行电磁搅拌以加快不同合金元素之间的混合，并反复熔炼 4 次，从而保证母合金锭的成分均匀。最后将制备的母合金锭经拨料杆移至吸铸坩埚内再次熔化，熔化后的合金液在熔化室与铸造室间气压差的作用下，经石墨管注入水冷铜模中，进而获得3mm 厚的板状样品。所制备的 Ti 基及 Zr 基块体非晶合金板样品的外观形貌如图 2-1 所示。

2.2 脉冲电流处理方法和设备
利用线切割将样品切割成 2 mm×3 mm×30 mm 的长条形。在室温环境下将长条形样品通过铜夹持电极(图 2-2(a)所示)接入放电回路中，之后向储能电容器组充电(图 2-2(b)所示)，经触发电路触发，向样品放电产生高密度电流，，并由TDS3012 型示波器(图 2-2(c)所示)现场测定脉冲电流波形。实验原理示意图如图 2-3 所示。脉冲电流波形是正弦阻尼衰减波包，如图 2-4 所示。由 Pyris-I 型差示扫描量热仪(DSC)获得铸态及各脉冲电流处理态试样的DSC 曲线。测试时，在流动的高纯氩气的保护下，先采用空的 Al 坩埚测试基线，以保证所得 DSC 曲线的准确性，之后，将经过超声波清洗器清除表面污垢后的样品称重(小于 30mg)后放入 Al 坩埚内进行测试。此外，升温速率改变后，需重新使用空的 Al 坩埚再次测量基线。

第 3 章 脉冲电流处理对Ti基块体非晶合金的影响..............................................18

3.1 引言........................................ 18

3.2 脉冲电流处理对TiZrNiCuBe块体非晶合金微观组织的影响 .................. 18

第 4 章 脉冲电流处理对Zr基块体非晶合金的影响 .............................................41

4.1 引言.................................. 41

4.2 脉冲电流处理对ZrCuNiAl块体非晶合金微观结构的影响 ...................... 41

结论....................58

第 4 章 脉冲电流处理对 Zr 基块体非晶合金的影响

4.1 引言
1996 年，Inoue[73]采用吸铸方法首次制备出长为 50mm，直径达到 30mm的Zr55Cu30Ni5Al10块体非晶合金。该非晶合金的三维尺寸极大地突破了传统非晶合金的尺寸限制，使得非晶合金具有的高强度、高硬度等优良性能可以得到更好的应用。然而，Zr55Cu30Ni5Al10块体非晶合金室温塑性极低，如何提高其室温塑性一直是非晶领域关注的热点。Kato等人[74]将ZrC颗粒加入Zr55Cu30Ni5Al10块体非晶合金中制备出的颗粒增强非晶合金复合材料，邱克强等人[75]用渗流铸造法制备的钨丝纤维增强非晶合金复合材料均可有效提高非晶合金的室温塑性。然而，如何发现更简便、更有效地提高其室温塑性的方法仍需要继续探索。本文对Zr55Cu30Ni5Al104.2 脉冲电流处理对 ZrCuNiAl 块体非晶合金微观结构的影响块体非晶合金进行脉冲电流处理，利用纳米压痕、室温压缩、SEM、TEM等手段研究脉冲电流处理对Zr基块体非晶合金微观结构和力学性能的影响，并阐述Zr基块体非晶合金室温塑性变化与其微观结构变化之间的内在关系。

4.2 脉冲电流处理对 ZrCuNiAl 块体非晶合金微观结构的影响
由第三章中公式(3-2)，(3-3)可计算出脉冲电流处理后，ZrCuNiAl块体非晶合金试样的最高温度Tmax。对于本文中采用的ZrCuNiAl块体非晶合金，其比热容c为 336 J/kg•K，密度ρ为 6.79×103kg/m3，电阻率γ为 1.815×106Ω•m。计算结果如表 4-1 所示。从表 4-1 中可以看出，脉冲电流处理后，即使脉冲处理电压达到最高设定的 4200V，ZrCuNiAl块体非晶合金最大温升Tmax也只有 590 K，远低于ZrCuNiAl块体非晶合金的玻璃转变温度Tg=682 K，脉冲电流处理产生的焦耳热以及高密度电子流对材料施加的电子冲击力并不能使得ZrCuNiAl块体非晶合金克服能量势垒而发生类似于第三章中Ti基非晶合金的晶化行为。所以，脉冲电流处理后，ZrCuNiAl合金试样的微观结构并没有发生显著的改变，仍保持着单一的非晶相结构。
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结论

本文通过研究脉冲电流处理前后Zr55Cu30Ni5Al10及Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的微观结构、热性能、力学性能，并分析了不同脉冲电流处理参数块体非晶合金微观结构和力学性能的变化规律，系统的阐述了脉冲电流对块体非晶合金结构及性能影响的内在机理。主要结论如下：(1) 由传统 X 射线衍射、TEM、同步辐射结果可知，对于 Ti 基块体非晶合金，脉冲处理电压达到 3900V 后将发生晶化行为；对于 Zr 基块体非晶合金，本文采用的脉冲电流处理参数未引起其发生晶化行为。(2) 由高分辨(HRTEM)图片的自相关函数原始(ACF)结果可知，随着脉冲电流处理电压的增加，Ti 基和 Zr 基块体非晶合金的有序度逐渐升高，对应的原子排列更加紧密；对于 Ti 基和 Zr 基块体非晶合金，其有序度分别达到 14.2%和 16.3%之前，脉冲电流处理将使得两种块体非晶合金内流变单元的尺寸增加，使之室温压缩塑性不断升高，相应有序度进一步增加意味着脉冲电流处理将使得流变单元的尺寸降低，甚至消失，对应室温压缩塑性逐渐降低直至消失。
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参考文献（略）

本文编号：44664