【摘要】：塊體金屬玻璃,由于具有獨特性能,如高強度、高彈性極限、優(yōu)異的軟磁性能以及良好的耐腐蝕性,近年來吸引了人們廣泛關(guān)注。室溫下,金屬玻璃發(fā)生非均勻塑性變形,即變形高度局域化于剪切帶。然而,由于剪切帶具有應(yīng)變軟化的本質(zhì),金屬玻璃在變形時,剪切變形通常集中在某個或幾個主剪切帶上,直至發(fā)生斷裂,因此金屬玻璃宏觀延展性很低。金屬玻璃的室溫脆性極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。此外,非均勻塑性變形對金屬玻璃結(jié)構(gòu)與性能有很大影響。相對未變形的非晶基體,剪切帶上有更多的自由體積。伴隨剪切帶引入,增加的自由體積會導(dǎo)致金屬玻璃的軟化,而剪切帶相互作用卻會導(dǎo)致金屬玻璃的硬化。然而,自由體積及剪切帶相互作用這兩種競爭因素如何共同影響金屬玻璃力學(xué)性能尚不清楚。因此,研究金屬玻璃塑性變形中剪切帶和自由體積的演化,對理解金屬玻璃的非均勻塑性變形機理、克服金屬玻璃的脆性、探究變形后金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)聯(lián)具有重要意義。其次,減小剪切帶間距是克服金屬玻璃脆性難題的重要途徑。因此,引入分布均勻、間距細(xì)小的剪切帶,對于解決該難題有重要價值。最后,探索具有良好綜合性能的合金成分,可拓寬金屬玻璃在各領(lǐng)域的應(yīng)用。元素添加是開發(fā)具有良好綜合性能的金屬玻璃體系的有效手段。因此,深入研究元素添加對金屬玻璃結(jié)構(gòu)、玻璃形成能力和性能的影響具有重要意義。基于以上這些問題,本論文開展了以下三部分工作:(1)研究了Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃壓縮塑性變形中剪切帶、自由體積的演化。分析研究了自由體積和剪切帶共同作用對金屬玻璃硬度的影響。使用X射線衍射(XRD)及透射電子顯微術(shù)(TEM)對樣品結(jié)構(gòu)進行表征分析。通過掃描電子顯微術(shù)(SEM)及統(tǒng)計方法定量研究了塑性變形中剪切帶密度、剪切帶間距及其分布、剪切帶相互作用的演化。使用差示掃描量熱法(DSC)對Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃中自由體積的絕對含量實現(xiàn)定量確定。研究表明,Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃的硬度隨應(yīng)變的變化展現(xiàn)出先下降后增加的變化趨勢。當(dāng)應(yīng)變從6%增加至83%時,剪切帶密度從0.04μm-1增加至0.92μm-1,平均剪切帶間距從25.4μm減小至1.1μm,剪切帶間距的分布寬度逐漸縮小。剪切帶交割點數(shù)目隨應(yīng)變的增加而增加。當(dāng)應(yīng)變大于47%時,大量的細(xì)微剪切帶形成,剪切帶交割點數(shù)目隨應(yīng)變增加而快速增加。室溫下樣品中自由體積絕對含量隨應(yīng)變增加而單調(diào)增加。自由體積導(dǎo)致的軟化和剪切帶相互作用導(dǎo)致的硬化共同影響Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃的硬度變化。應(yīng)變0%至47%范圍內(nèi),硬度下降的原因是增加的自由體積導(dǎo)致的軟化。應(yīng)變47%至83%范圍內(nèi),剪切帶相互作用導(dǎo)致的硬化除抵消自由體積導(dǎo)致的軟化外,還導(dǎo)致硬度隨應(yīng)變增加而增加。反復(fù)壓縮循環(huán)試驗結(jié)果表明,隨剪切帶相互作用增大,Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃呈現(xiàn)出明顯的幾何硬化行為。(2)采用壓縮塑性變形,在含弧形邊沿的韌性Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)金屬玻璃中引入了分布廣、間距細(xì)小的高密度剪切帶。所引入剪切帶的平均間距為520nm左右。部分區(qū)域內(nèi)剪切帶間距降至110 nm左右。此外,采用壓縮塑性變形,在含弧形邊沿的脆性Cu_(60)Zr_(30)Ti_(10)金屬玻璃中也引入了高密度剪切帶。(3)系統(tǒng)研究了Ti添加對Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10)塊體金屬玻璃的結(jié)構(gòu)、玻璃形成能力、晶化方式及性能的影響。本工作采用水冷Cu模吸鑄法制備(Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10))_(100-x)Ti_x(x=0-7)塊體金屬玻璃。XRD結(jié)果表明,在Ti含量為x=0-7范圍內(nèi),合金結(jié)構(gòu)均為非晶態(tài)。Ti添加提高了約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度。綜合分析約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度及XRD結(jié)果得出,Ti添加提高了Zr-Cu-Ni-Al體系的玻璃形成能力。相比于Ti含量為x=0和1的樣品,當(dāng)Ti含量x≥2時,合金的晶化行為表現(xiàn)為兩步晶化,且第一步晶化的產(chǎn)物為二十面體準(zhǔn)晶,表明合金的非晶基體中存在大量強二十面體短程序。當(dāng)Ti含量x≤6時,(Zr_(64.13)Cu_(15.75)Ni_(10.12)Al_(10))_(100-x)Ti_x塊體金屬玻璃具有室溫超大延展性,應(yīng)變達(dá)80%以上。此外,Ti添加還增強了Zr-Cu-Ni-Al金屬玻璃的抗腐蝕能力。研究表明,開發(fā)的Zr-Cu-Ni-Al-Ti塊體金屬玻璃體系,不僅在寬成分范圍內(nèi)具有室溫超大延展性,而且其玻璃形成能力和耐腐蝕性也得到提高。
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又稱非晶態(tài)合金，是一種主要由金屬元素組成的非晶種兼具金屬和玻璃優(yōu)異力學(xué)、物理和化學(xué)性能的新型材料術(shù)制備[2]。卻速率不同，熔體在冷卻過程中會凝固形成兩種具有完全體。如圖 1-1 所示，當(dāng)冷卻速率較緩慢時，熔體的原子有

用于制造性能優(yōu)異的彈簧(見圖 1-3(b) )[39]。由于具有高彈性特點，塊體金屬玻璃可以延長子彈與裝甲之間的相互作用時間，，進而達(dá)到減少沖擊的目的，因此塊體金屬玻璃還可用于制作復(fù)合裝甲夾層。此外，有些塊體金屬玻璃的斷裂韌性很高如 Zr-Ti-Cu-Ni-Be 金屬玻璃的斷裂韌性可達(dá) 86 MPa·m1/2，Cu-Zr-Hf-Ti 金屬玻璃的斷裂韌性可達(dá) 67 MPa·m1/2 [40]。在軍事工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，金屬玻璃也具有良好的應(yīng)用前景，如由塊體金屬玻璃和金屬 W 絲合成的復(fù)合材料在侵徹金屬時具有良好的自銳性，是穿甲彈材料最為優(yōu)異的候選者之一[41]。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ171.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 汪衛(wèi)華;;金屬玻璃研究簡史[J];物理;2011年11期

2 高玉來,沈軍,孫劍飛,周彼德,李慶春;大塊非晶合金制備新技術(shù)——非晶粉末固結(jié)成形法[J];材料導(dǎo)報;2002年10期

本文編號：2567480