大塊非晶合金的力學(xué)行為及其微觀機(jī)理研究.pdf

1、在過去十幾年里，人們發(fā)現(xiàn)了許多新型多組元合金體系具有很高的非晶形成能力，能在非常低的冷卻速率條件下，形成大尺寸的非晶合金。與傳統(tǒng)的非晶合金相比，這些大塊非晶合金通常具有很高的熱穩(wěn)定性，能呈現(xiàn)出明顯的玻璃轉(zhuǎn)變過程和很寬的過冷液相區(qū)。這使得人們有足夠?qū)挼臅r(shí)間或溫度區(qū)間來進(jìn)一步深入研究非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變、過冷金屬液相的本質(zhì)特征以及其力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。 本文選用非晶形成能力很高，且在玻璃轉(zhuǎn)變區(qū)和過冷液相區(qū)有高熱穩(wěn)定性的Zr<,

2、55>Cu<,25>Ni<,5>Al<,10>Nb<,10>和Zr<,41.2>Ti<,13.8>Cu<,12.5>Ni<,10-x>Be<,22.5>Fe<,x>(x=0,2)等Zr基大塊非晶合金，利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)、單向壓縮實(shí)驗(yàn)、納米壓痕法，并結(jié)合示差掃描量熱分析(DSC)、X射線衍射分析(XRD)和高分辨透射電子顯微分析(HRTEM)等實(shí)驗(yàn)手段，研究了大塊非晶合金在玻璃轉(zhuǎn)變、晶化和粘滯流變等過程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為以及微量元素

3、添加對(duì)其的影響，在過冷液相區(qū)的均勻塑性流變行為及其與微結(jié)構(gòu)演化的相互關(guān)系。此外，還研究了微結(jié)構(gòu)演化對(duì)大塊非晶合金室溫非均勻流變行為及其機(jī)制的影響。這些研究成果將有助于理解并進(jìn)一步提高大塊非晶合金的形成能力、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論如下： 1)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析表明Zr<,55>Cu<,25>Ni<,5>Al<,10>Nb<,10>)大塊非晶合金主弛豫(α弛豫)具有與傳統(tǒng)非晶凝聚態(tài)物質(zhì)相似的動(dòng)力學(xué)特征，為非Debye弛豫。

4、研究證實(shí)了利用準(zhǔn)點(diǎn)缺陷物理模型能系統(tǒng)地定量描述大塊非晶合金在主弛豫過程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為以及特征結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間τ<,relx>對(duì)溫度的依賴關(guān)系。該模型中的參數(shù)α對(duì)τ<,relax>(T)偏離Arrhenius關(guān)系程度的表征與眾所周知的脆性參數(shù)m有很好的一致性。 2)應(yīng)用準(zhǔn)點(diǎn)缺陷理論定量分析了Zr<,41.2>Ti<,13.8>Cu<,12.5>Ni<,10-x>Be<,22.5>Fe<,x>(x=0,2)大塊非晶合金的內(nèi)耗行為。結(jié)果

5、顯示2at％Fe元素的添加導(dǎo)致原子基本運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能U<,β>的值由0.68eV增大到1.20eV而關(guān)聯(lián)參數(shù)x的值從0.41降低到0.38，這表明了含微量Fe元素的Zr-Ti-Cu-Ni-Be大塊非晶合金具有更寬玻璃轉(zhuǎn)變區(qū)和過冷液相區(qū)是因?yàn)樵靥砑訉?dǎo)致非晶合金短程有序度增大、原子基本運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能提高，從而使其原子動(dòng)性下降，結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)間延長(zhǎng)所致。 3)結(jié)合Maxwell模型和Vogel-Tammann-Fulcher經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式定量描

6、述了Zr<,41>Ti<,14>Cu<,12.5>Ni<,8>Be<,22.5>Fe<,2>大塊非晶合金在過冷液相區(qū)的亞穩(wěn)平衡內(nèi)耗與溫度的關(guān)系，并獲得了合金過冷液相的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)隨著2at％Fe添加，Zr-Ti-Cu-Ni-Be大塊非晶合金的VFT溫度T<,0>下降至331.6K，降低了80.9K；而強(qiáng)度指數(shù)D <'*>的值則從18.5增大到22.3。這表明含F(xiàn)e非晶合金具有更高的非晶形成能力和熱穩(wěn)定性與微量Fe元素添加使其

7、過冷液體變得更“強(qiáng)”有關(guān)。 4)進(jìn)一步分析Zr-Ti-Cu-Ni-Be-Fe大塊非晶合金過冷液相的等溫內(nèi)耗數(shù)據(jù)顯示，該合金的等溫初始晶化驅(qū)動(dòng)能為3.8eV與合金中Ti元素的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)能Q<,Ti>=4.09(±0.46)eV相當(dāng)。結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道的晶化研究成果表明該多組元Zr基大塊非晶合金在過冷液相區(qū)的等溫晶化是一個(gè)原子擴(kuò)散控制過程，其中Ti元素的移動(dòng)和重排起著至關(guān)重要的作用。 5)Zr<,41.2>Ti<,13.8>Cu<,

8、12.5>Ni<,10>Be<,22.5>大塊非晶合金的高溫均勻塑性流變行為依賴于溫度和應(yīng)變速率，隨著溫度的降低或應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)出牛頓流變向非牛頓流變的轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)非晶合金的流變行為不僅可以用經(jīng)驗(yàn)的擴(kuò)展指數(shù)函數(shù)表達(dá)式，還可用物理模型，如基于自由體積模型的過渡態(tài)理論來定量描述。合金過冷液相均勻流變的驅(qū)動(dòng)參數(shù)：驅(qū)動(dòng)體積V<,act>為16 A<'3>，驅(qū)動(dòng)能為4.6eV其與合金過冷液相中原子的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)能值基本一致。這表明Zr<,41.

9、2>Ti<,13.8>Cu<,12.5>Ni<,10>Be<,22.5>大塊非晶合金在過冷液相區(qū)的均勻塑性流變受原子擴(kuò)散控制，并且是多原子協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程。研究還證實(shí)了準(zhǔn)點(diǎn)缺陷理論除了能系統(tǒng)描述非晶合金的主弛豫動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，還能在獲得能表征其原子動(dòng)性的物理參數(shù)(關(guān)聯(lián)參數(shù)x和驅(qū)動(dòng)能U<,β>)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步描述大塊非晶合金在過冷液相區(qū)的均勻塑性流變行為。 6)Zr<,41.2>Ti<,13.8>Cu<,12.5>Ni<,10>Be<

10、,22.5>大塊非晶合金在過冷液相區(qū)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮形變時(shí)，在穩(wěn)態(tài)牛頓流變后，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。研究結(jié)果證實(shí)了合金的應(yīng)變硬化是由于過冷液相相分離和隨后的納米晶化造成的，但主要?dú)w功于前者。另一方面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明Zr<,41.2>Ti<,13.8>Cu<,12.5>Ni<,10>Be<,22.5>大塊非晶合金過冷液相的穩(wěn)態(tài)牛頓流變對(duì)合金的相分離和初始納米晶化動(dòng)力學(xué)的影響是非常有限的。 7)在納米壓入過程中，Zr<,41.2>Ti<,

11、13.8>Cu<,12.5>Ni<,10>Be<,22.5>大塊非晶合金的非均勻流變行為不僅依賴于加載速率，還會(huì)受到結(jié)構(gòu)演化，如結(jié)構(gòu)弛豫或相分離及隨后納米晶化的影響。研究發(fā)現(xiàn)原始態(tài)和結(jié)構(gòu)弛豫態(tài)Zr基大塊非晶合金的硬度與壓痕深度的關(guān)系相似，都符合應(yīng)變梯度硬化團(tuán)簇模型的定量描述，這證實(shí)了它們具有相似的非均勻流變機(jī)制。而Zr基大塊非晶合金在經(jīng)歷相分離及少量初始納米晶化或形核后，具有與原始態(tài)和弛豫態(tài)合金樣品不同的非均勻結(jié)構(gòu)，其非晶基體由成分、中