【摘要】：非晶合金具有高強度和耐腐蝕的特點,同時由于它具有無序的結構,因而被期望具有較好的抗輻照能力,使其在航天器和核工業(yè)方面具有廣泛的應用前景。非晶合金結構呈各向同性,沒有線、面晶體缺陷,也是研究輻照效應的理想模型材料。本論文利用模擬空天環(huán)境和核反應堆的輻照實驗方法,選取了不同體系的非晶合金、非晶合金薄帶和非晶合金復合材料作為研究對象,研究了低能和高能離子輻照對材料結構、表面特征和力學行為的影響。用100 keV的He~+離子輻照不同體系、不同方法制備的塊體非晶合金、非晶合金薄帶和非晶合金復合材料。實驗研究的輻照劑量范圍在2×10~177 ions/cm~2~1.0×10~(18)ions/cm~2之間,通過改變真空甩帶機的輪速(15,25,35,45m/s)制備了Fe_(78)Si_8B_(14)和Fe_(78)P_8B_(14)非晶合金薄帶。當輻照劑量達到5×10~(17)ions/cm~2時,在兩種薄帶的表面觀察到相似的輻照響應,脫落、開裂和多層損傷出現(xiàn)。輪速在35 m/s所制備的Fe_(78)Si_8B_(14)和Fe_(78)P_8B_(14)薄帶擁有最大的未剝落面積,相比同組分完全非晶的兩種薄帶表現(xiàn)出更優(yōu)的輻照抵抗能力。它們的晶化程度分別為6.5%和4.2%。歸咎于析出的Fe_2P和Fe_3Si晶化相,使材料擁有大量的晶界和相界。這些界面會作為一種吸收源消除輻照引起的缺陷。研究結果表明一定尺寸和數(shù)量的晶體相存在于非晶基體內在輻照抵抗方面起著重要的作用。擁有一定比例B2相的CuZr基非晶合金復合材料擁有顯著的塑性變形能力并在變形過程中表現(xiàn)出顯著的加工硬化性能。我們選用了擁有體積分數(shù)為28±3vol%的B2相的Cu_(48)Zr_(48)Al_4非晶合金復合材料,在He~+離子輻照后發(fā)現(xiàn)拋光的材料表面區(qū)域觀察到了表面浮凸現(xiàn)象。根據(jù)XRD結果顯示,材料發(fā)生了馬氏體相轉變:B2-CuZr(簡單立方相,P_m-3_m)→B19’-CuZr和B33-CuZr(單斜相,P2_1/_m和Cm),利用納米壓痕儀發(fā)現(xiàn)材料的晶體區(qū)域和非晶區(qū)域分別表現(xiàn)出硬化和軟化效應,這是因為輻照導致晶體區(qū)域形成了硬化相,非晶區(qū)域中自由體積濃度的增加或者引入多余的高濃度原子尺度缺陷所造成的。通過維氏硬度計對材料的宏觀硬度進行測量后發(fā)現(xiàn),材料的整體硬度基本保持不變,這是因為硬化和軟化之間的耦合效應所造成的。Vit1(Zr_(41.2)Ti_(13.8)Ni_(10)Cu_(12.5)Be_(22.5))非晶合金和Cu_(48)Zr_(48)Al_4非晶合金復合材料,在經(jīng)過20 MeV的Cl~(4+)離子5×10~(15),1×10~(16)ions/cm~2的劑量輻照后,Vit_1始終保持非晶態(tài),然而擁有一定晶化程度的Cu_(48)Zr_(48)Al_4表現(xiàn)出非晶化。除此之外在納米壓入過程中Vit1的硬度在輻照前后沒有發(fā)生變化同時鋸齒變化幅度不明顯。Cu_(48)Zr_(48)Al_4呈現(xiàn)出不同程度的軟化,復合材料的鋸齒流變現(xiàn)象在輻照前后發(fā)生了改變。輻照后Cu_(48)Zr_(48)Al_4相比較輻照前的樣品,鋸齒流變的特征變得更加無規(guī)律。因為輻照損傷在非晶基體內部引入自由體積造成材料塑性提高導致剪切帶鋸齒提前出現(xiàn)。同時輻照產生高濃度的原子尺度缺陷,改變了材料的微觀結構,缺陷的濃度和分布發(fā)生變化,最終影響到非晶合金的變形特點。
【圖文】：

i-Ni-Cu-Sn[23]和五元 Zr-Ti-Al-Cu-Ni[24]等，可以看出這些體系的非晶合金都是由普通元素組成的。1993 年，A. Inoue 研究組和美國加州理工學院的 W.L. Johnson 課題組合并研發(fā)出了塊體非晶合金 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5，其臨界尺寸達了Φ 30 mm，這就是經(jīng)典的 Vit-1 非晶合金，其具有極強的非晶形成能力[25]。在這期間， Cu 基、Pa 基、L基、Co 基、Al 基、Mg 基、Ni 基和Fe 基等不同合金體系的塊狀非晶合金[26-28]也被成功制備。2008 年，同樣是 W.L. Johnson 課題組下的 Hofmann 等人[29]發(fā)現(xiàn)通過控制冷速制備了 Zr 非晶基復合材料，非晶基體內部的原位內生 β 相呈現(xiàn)出樹枝晶的結構緊密的連接在一起，材料斷裂后出現(xiàn)大量頸縮，其塑性變形量達到 8.1% 左右，克服了非晶合金在室溫下沒有塑性的問題，，為非晶合金及其復合材料的發(fā)展做出了極大的貢獻，研究成果最終在 Nature 雜志上進行了發(fā)表。2012 年，A. Inoue 研究組制得出的Pd42.5Cu30Ni7.5P20非晶合金棒擁有Φ 80 mm×85 mm 大小的尺寸，這是迄今為止已報道的世界上擁有最大尺寸的塊體非晶合金[30]，如圖 1.1。

能離子輻照改變了 Pd80Si20和 Cu50Zr50塊體非晶合金的的現(xiàn)象[38-39]。1981 年，Swijgenhoven 利用輻照能量為 5 金Fe40Ni38Mo4B18進行輻照， 當輻照劑量達到 4.0×1016i為 1.4 nm 的微小氦泡出現(xiàn)，隨著輻照劑量進一步增泡尺寸得到生長變?yōu)?33 nm[40]。Hayasy等人利用輻照能量×1018ions/cm2的 He+對 Fe40Ni38Mo4B18觀察到了剝落人利用輻照能量為 100-300keV 的 He+在室溫下輻局部晶化的情況[42]。1989 年， Hayashi 等人用 40 keV0發(fā)現(xiàn) a-Fe 晶化相[43]。2001 年，美國 NASA 發(fā)射了用號宇宙飛船，其中太陽能收集器這一最重要的部非晶合金制造。在經(jīng)過三年的搜集和強太陽風暴的沖擊之形和表面形貌，可以看出其優(yōu)異的抗輻照性能[44]。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.8;TB33

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本文編號：2591638