Zr基塊體非晶合金室溫力學(xué)行為及變形機(jī)理的研究.pdf

1、本文采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、差示掃描量熱儀（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）、納米壓痕儀（nanoindentation）、精密密度天平等實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)地研究了一系列Zr基塊體非晶合金在室溫下的蠕變行為，從理論上分析了非晶合金的蠕變變形機(jī)理，初步揭示了合金元素及預(yù)應(yīng)力對(duì)蠕變行為及蠕變后材料性能的影響機(jī)制。通過(guò)在Zr基塊體非晶合金中產(chǎn)生預(yù)先塑性變形，研究了變形剪切帶對(duì)非晶合金腐蝕行為的影響。此外，本論文還研究了一種Zr塊體非晶合金在空氣環(huán)境和腐蝕

2、環(huán)境中的腐蝕疲勞行為和性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以具有良好非晶形成能力及室溫韌性的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對(duì)象，研究了該非晶合金在室溫下的蠕變行為。實(shí)驗(yàn)以該非晶合金屈服強(qiáng)度的90％的應(yīng)力為施壓應(yīng)力，在這一應(yīng)力下分別保壓24、48和120小時(shí)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同時(shí)間保壓后，非晶合金均發(fā)生了永久塑性變形，經(jīng)120小時(shí)保壓后的樣品塑性應(yīng)變達(dá)0.48%。但SEM并未觀察到非晶樣品表面有任何

3、剪切帶的產(chǎn)生，表明這種在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)發(fā)生的蠕變?yōu)榫鶆蛩苄宰冃?。進(jìn)一步DSC研究發(fā)現(xiàn)，蠕變后各樣品的的弛豫焓隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減少，其中經(jīng)過(guò)120小時(shí)保壓后樣品的弛豫焓降低了36.7%。隨后的力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于原始態(tài)樣品，保壓后樣品的屈服強(qiáng)度明顯增加，納米壓痕實(shí)驗(yàn)顯示隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)各樣品的硬度和彈性模量均逐漸增加。而密度測(cè)試亦發(fā)現(xiàn)各保壓后樣品的密度隨保壓時(shí)間延長(zhǎng)而增大。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該非晶合金在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)區(qū)的保壓

4、引起了非晶合金的自由體積湮滅，即發(fā)生了應(yīng)力硬化（應(yīng)力退火）效應(yīng)。根據(jù)原子尺度應(yīng)力模型分析，我們認(rèn)為這一應(yīng)力退火效應(yīng)是非晶合金中存在的正、負(fù)自由體積區(qū)在應(yīng)力作用下相互擴(kuò)散抵消所引起的。⑵選取三種具有不同玻璃轉(zhuǎn)變溫度和玻璃轉(zhuǎn)變激活能Zr基非晶合金（Zr55Ni5Cu30Al10、Zr61Ti2Cu25Al12和Zr35Ti30Be27.5Cu7.5），并在相同條件下（以各自屈服強(qiáng)度的90%的應(yīng)力為蠕變應(yīng)力）分別保壓24、48和120小時(shí)，研

5、究了保壓后各非晶合金的力學(xué)和物理性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有較高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變激活能的Zr55Ni5Cu30Al10非晶合金(Tg=668 K, Eg=497.4 KJ/mol)和Zr61Ti2Cu25Al12非晶合金(Tg=655 K, Eg=528.3 KJ/mol)保壓后自由體積減少，這與Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金(Tg=651 K, Eg=689.8 KJ/mol)的結(jié)果一致，即發(fā)生了應(yīng)力硬化（

6、應(yīng)力退火）效應(yīng)。但具有低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變激活能的Zr35Ti30Be27.5Cu7.5非晶合金(Tg=584 K, Eg=316.0 KJ/mol)卻表現(xiàn)出應(yīng)力軟化的現(xiàn)象。這表明非晶合金在室溫蠕變過(guò)程中，可以發(fā)生應(yīng)力硬化（即應(yīng)力退火）效應(yīng)，也可以發(fā)生應(yīng)力軟化效應(yīng)，這與非晶體系的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變激活能密切相關(guān)。進(jìn)一步理論分析表明，對(duì)于玻璃轉(zhuǎn)變溫度和玻璃轉(zhuǎn)變激活能較高的非晶合金，由于其非晶結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，其內(nèi)部不均勻結(jié)構(gòu)不易被激活，彈性應(yīng)

7、力僅僅引起正、負(fù)自由體積相互擴(kuò)散和抵消，使總自由體積減少，即發(fā)生應(yīng)力退火效應(yīng)。而對(duì)于玻璃轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變激活能較低的非晶合金，非晶合金內(nèi)部不均勻結(jié)果易被激活，即使在彈性應(yīng)力范圍內(nèi)（屈服強(qiáng)度的90%）保壓，其內(nèi)部的不均勻結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生屈服，引起總自由體積增加，即發(fā)生應(yīng)力軟化效應(yīng)。⑶以具有較低玻璃轉(zhuǎn)變溫度及轉(zhuǎn)變激活能的Zr35Ti30Be27.5Cu7.5非晶合金為對(duì)象，分別施加屈服強(qiáng)度的50%、70%和90%的應(yīng)力，并保壓48小時(shí)，研究施加應(yīng)

8、力大小對(duì)該非晶合金蠕變行為的影響。DSC、力學(xué)性能和密度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著保壓應(yīng)力的增加，該非晶合金的弛豫焓先減少后增加，而屈服強(qiáng)度和納米壓痕下的最大剪切強(qiáng)度先增大后減小，這表明隨著保壓應(yīng)力的增加，該非晶合金發(fā)生了應(yīng)力硬化向應(yīng)力軟化的轉(zhuǎn)變。根據(jù)原子尺度應(yīng)力模型結(jié)合自由體積理論分析，我們認(rèn)為在低應(yīng)力范圍內(nèi)，由于正應(yīng)力起主導(dǎo)作用，非晶結(jié)構(gòu)的變化受控于正、負(fù)自由體積的相互抵消，從而引起總的自由體積湮滅和應(yīng)力硬化現(xiàn)象的發(fā)生；而在高應(yīng)力范圍內(nèi)，由于切

9、應(yīng)力起主導(dǎo)作用，它使正自由體積區(qū)原子向基體擴(kuò)散，引起總的自由體積增加和應(yīng)力軟化現(xiàn)象的發(fā)生。⑷以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對(duì)象，通過(guò)預(yù)先塑性變形的調(diào)控，在非晶合金樣品表面產(chǎn)生單一或多重剪切帶，隨后將其在1 M的HCl溶液中浸泡處理，研究剪切帶對(duì)非晶合金腐蝕行為的影響。盡管 SEM觀察發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕均發(fā)生在剪切臺(tái)階上，但機(jī)械拋光除去剪切臺(tái)階后，點(diǎn)蝕不再集中在剪切帶所在位置，而是隨機(jī)均布于非晶合金表面。這

10、表明非晶合金變形后產(chǎn)生的剪切臺(tái)階才是導(dǎo)致點(diǎn)蝕在剪切帶上優(yōu)先形成的原因，與剪切帶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化無(wú)關(guān)。⑸以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對(duì)象，采用三點(diǎn)彎曲的實(shí)驗(yàn)方法研究了該合金在模擬體液的疲勞性能，并與空氣環(huán)境中的疲勞性能進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該非晶合金在腐蝕環(huán)境中的疲勞極限達(dá)到366 MPa，僅略低于在空氣環(huán)境中的疲勞極限（400 MPa），反映了該非晶體系對(duì)腐蝕介質(zhì)并不敏感。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在