非均勻微結構對Zr基塊體非晶合金室溫塑性及變形行為的影響.pdf

1、本文利用X射線衍射分析儀（XRD）、光學顯微鏡（OM）、示差掃描量熱儀（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、力學試驗機、納米壓痕設備、顯微硬度計、X射線小角散射（SAXS）及靜態熱分析儀（TMA）等實驗手段系統研究了具有兩種不同非均勻微結構（納米尺度的相分離及二十面體中程有序結構）對Zr基塊體非晶合金室溫塑性及變形行為的影響，并從理論上分析了非晶合金的變形機理。主要研究內容包括：
　　 ⑴采用電弧熔煉/

2、水冷銅模吸鑄的方法制備了ZrCuAlX(X=Ta，Fe)塊體非晶合金。實驗結果表明：微量正混合熱元素Ta和Fe的添加能有效改善合金的室溫變形能力，使Cu46Zr47Al7非晶合金的室溫塑性由0.59％分別提高至2.62％和4.81％。通過研究Fe含量對合金塑性變形行為的影響，發現塑性開始隨Fe含量的增加而增加，到1at％時達到最大，為7.47％。隨后塑性開始減小，直至2.5at％時不能形成完全的非晶結構。TEM結果表明Fe的添加使ZrC

3、uAl合金中形成納米尺度的相分離結構，形成富Cu和富Fe的非晶相，當相分離的尺寸在一定尺寸時，能很好地提高非晶合金的室溫變形能力。
　　 ⑵通過調整合金中Zr含量，系統性地比較研究了Zr65Cu17.5Ni10Al7.5和 Zr69.5Cu12Ni11Al7.5塊體非晶合金的微觀結構和力學性能。結果表明，這兩種成分相近的合金表現出完全不同的晶化行為和力學性能。前者表現為單步晶化，形成穩定的CuZr2相，而Zr69.5Cu12Ni

4、11Al7.5非晶合金則分兩步晶化，優先析出準晶相進而形成CuZr2相，表明該合金中具有二十面體中程有序結構。熱力學分析表明Zr69.5Cu12Ni11Al7.5塊體非晶合金具有較小的晶化激活能和形核激活能，說明了合金中具有較強的團簇結構，這與SAXS的結果相一致。具有二十面體中程有序結構的Zr69.5Cu12Ni11Al7.5塊體非晶合金具有很好的室溫變形能力，其單軸壓縮塑性高達25％而不發生斷裂，缺口斷裂韌性達到86MPm1/2，直

5、徑為1mm的合金樣品彎曲120度以上也不發生斷裂，表明增加Zr含量有利于形成二十面體中程有序結構，提高非晶合金的室溫變形能力。
　　 ⑶通過研究應變速率對Zr69.5Cu12Ni11Al7.5塊體非晶合金變形行為的影響時發現，該合金存在一個由“冷剪切”到“熱剪切”的臨界應變速率。在低應變速率下（≤10-1s-1），合金沿著一條主剪切帶滑移，表現為典型的冷剪切行為。而當應變速率達到1s-1時，剪切帶內合金因發生熱剪切而表現為脆性斷

6、裂。通過絕熱溫升模型對其進一步分析發現，合金的變形行為不僅與應變速率有關，也與樣品尺寸相關。此外，鋸齒流變行為也強烈地依賴于應變速率，并隨著應變速率的增大而減小，在應變速率達到10-1s-1時消失。此過程類似與摩擦過程中的滑動行為，符合Stick-Slip模型。
　　 ⑷通過在Zr69.5Cu12Ni11Al7.5塊體非晶合金上形成單一的剪切帶，對剪切帶的性質及非晶合金的變形機理進行直接研究。納米壓痕實驗結果表明，在剪切帶處存在

7、明顯的軟化，其最小硬度（即為剪切帶的硬度）為3.5GPa，且不隨著塑性變形量的增加而改變。但剪切帶的寬度隨著塑性變形量的增加而增大，當塑性變形為6％時，其寬度為160μm，遠大于文獻中利用TEM觀察的10-100nm。TMA和DSC實驗結果表明，剪切帶內有劇烈的體積膨脹，最大體積膨脹和自由體積分別為1.14％和1.40％。自由體積的最大值不隨塑性變形量的增加而改變，表明剪切帶內的自由體積在塑性變形為2％時即達到飽和。利用自由體積模型對該