液態(tài)置氫對(duì)鋯基塊體非晶合金形成能力和力學(xué)性能的影響.pdf

1、塊體非晶合金具有一系列的優(yōu)異性能,如屈服強(qiáng)度高、彈性應(yīng)變極限大以及良好的耐腐蝕性能和優(yōu)異的軟硬磁學(xué)性能,成為當(dāng)今材料界的研究熱點(diǎn)之一。本文采用液態(tài)置氫的方法將氫加入到鋯基塊體非晶合金中,所謂液態(tài)置氫,指的是在氫/氬混合氣氛下熔煉合金,使氫擴(kuò)散到合金熔體中的一種新的置氫方法。研究了液態(tài)置氫對(duì)非晶合金熔體的凈化作用,對(duì)非晶合金玻璃形成能力和力學(xué)性能的影響規(guī)律以及作用機(jī)制。
　　首先研究了液態(tài)置氫對(duì)去除Zr55Cu30Ni5Al10合金

2、中雜質(zhì)元素氧的作用,發(fā)現(xiàn)液態(tài)置氫對(duì)非晶合金具有明顯的脫氧作用。隨著氫氬混合氣氛中氫含量和熔煉時(shí)間的增加,合金中的氧含量逐漸降低。當(dāng)氫氬混合氣氛中氫含量為15％,熔煉時(shí)間為400s時(shí),具有最佳的脫氧作用,隨后凝固得到的合金呈完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。根據(jù)吉布斯自由能的變化情況,可知在高溫區(qū)時(shí),氫與氧反應(yīng)的吉布斯自由能較鋯與氧反應(yīng)的吉布斯自由能更低,因此氫與氧更容易發(fā)生反應(yīng),從而避免了鋯與氧反應(yīng)形成的氧化鋯或者鋯/氧團(tuán)簇作為異質(zhì)形核核心對(duì)非晶合金形

3、成能力的有害作用。
　　對(duì)Zr55Cu30Ni5Al10合金進(jìn)行液態(tài)置氫,發(fā)現(xiàn)隨著氫氬混合氣氛中氫含量的增加,鈕扣錠中含有的晶體相CuZr3和AlZr2的數(shù)量逐漸減少,當(dāng)氫含量達(dá)到10%時(shí),鈕扣錠中的晶體相會(huì)完全消失,結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完全的非晶態(tài)特征。采用楔形試樣對(duì)比研究了液態(tài)置氫前后Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力,發(fā)現(xiàn)隨著氫氬混合氣氛中氫含量的增加,Zr55Cu30Ni5Al10合金的臨界尺寸逐漸增加,當(dāng)氫含量增加到

4、10%時(shí),其臨界尺寸達(dá)到最大值。
　　對(duì)液態(tài)置氫后的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的脆性參數(shù)和臨界冷卻速度的研究表明,置氫的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金相對(duì)于其未置氫時(shí)具有更小的脆性參數(shù)和臨界冷卻速度。此外,還對(duì)比了置氫前后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的吉布斯自由能差的變化,發(fā)現(xiàn)置氫后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金具有更低的吉布斯自由能差,從動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)的角度解釋了液態(tài)置氫后Zr55Cu30N

5、i5Al10非晶合金具有更大玻璃形成能力的原因。
　　根據(jù)正電子湮沒壽命(PALS)研究結(jié)果,并結(jié)合硬球無規(guī)密堆模型中的Bernal孔洞結(jié)構(gòu),研究了液態(tài)置氫后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的結(jié)構(gòu)變化。研究表明Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金中存在三種湮沒壽命成分,說明合金中存在三種不同尺寸的結(jié)構(gòu)缺陷,對(duì)應(yīng)的非晶結(jié)構(gòu)分別為密堆垛結(jié)構(gòu)中的間隙位置、流動(dòng)缺陷位置與亞納米孔洞。密堆垛結(jié)構(gòu)中間隙缺陷濃度的增加,說明置氫后擴(kuò)大了

6、非晶合金中有效的堆垛區(qū)域,從而形成更加有效的致密堆垛,從結(jié)構(gòu)的角度解釋了Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力提高的原因。
　　研究了液態(tài)置氫后Zr55Cu30Ni5Al10與Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5兩種塊體非晶合金的室溫力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)室溫壓縮塑性不但沒有降低,反而有很大程度的提高。氫致塑性的增加歸因于氫在非晶合金中形成了一些應(yīng)力集中區(qū),這些區(qū)域?qū)е铝思羟袔У脑鲋撑c穩(wěn)定化,從而起到弱化高度局域化的剪