發(fā)布時間：2020-03-22 03:45

【摘要】：金屬玻璃具有高強(qiáng)度、高硬度,以及優(yōu)良的耐腐蝕性、生物融合性等優(yōu)異的性能,但延展性差,在低溫下極易發(fā)生脆性斷裂,因而極大地限制了其在工程中的應(yīng)用。近年來,研究人員基于引入或內(nèi)生第二相制備晶體與非晶的復(fù)合材料、提高自由體積制備“多孔”金屬玻璃、設(shè)計(jì)制備類似同質(zhì)多晶結(jié)構(gòu)的雙非晶相金屬玻璃三種方法,開發(fā)了許多具有一定延展性的材料,并探索了金屬玻璃的延展性機(jī)理。但當(dāng)前的研究很少從原子結(jié)構(gòu)的角度揭示延展性機(jī)理,不能滿足研究生產(chǎn)需要。本文選取上述三種方法中具有代表性的、具有一定延展性的金屬玻璃Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)、Cu_(49)Hf_(42)Al_9、Ti_(49)Nb_(42)Al_9作為對象,在原子尺度上,闡明了金屬玻璃的原子結(jié)構(gòu),并探討了其延展性機(jī)理。目前對金屬玻璃微觀結(jié)構(gòu)研究,主要使用的X射線衍射、中子衍射受到散射角太小或樣品體積的限制,難以進(jìn)行精確的徑向分布函數(shù)RDF(Radial Distribution Function)分析,而電子衍射的散射截面較大,分辨率高,因而能夠研究更小的材料樣品,有利于精確的RDF分析。因此,本文用電子衍射,結(jié)合RDF分析,以及反蒙特卡羅RMC(Reverse Monte Carlo)、密度泛函DFT(Density Functional Theory)模擬優(yōu)化,研究金屬玻璃的原子結(jié)構(gòu),探討金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)與延展性等宏觀性能的關(guān)系,揭示其延展性機(jī)理。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:第一章闡述了研究背景與意義,介紹了金屬玻璃的結(jié)構(gòu)與性能、微觀結(jié)構(gòu)的研究方法,電子源RDF分析的發(fā)展與應(yīng)用,以及模擬計(jì)算在金屬玻璃材料研究中的應(yīng)用,并指明了本文的研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)。第二章主要介紹了電子衍射,徑向分布函數(shù)RDF分析,模型的建立,以及RMC、DFT模擬優(yōu)化等研究方法與基本理論。第三章使用電子衍射研究了Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)金屬玻璃的晶相與非晶相的原子結(jié)構(gòu),揭示了內(nèi)生晶相金屬玻璃的延展性機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)金屬玻璃是晶體與無定型結(jié)構(gòu)的混合體,直徑約5 nm的Pd_(11)Zr_9晶體具有一致的尺寸,均勻分布在組分為Pd_(25)Zr_(55)Al_(20)的非晶態(tài)基體中,且形成一種聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。模擬結(jié)果顯示,Pd-Zr和Zr-Zr原子對PRDF(Partial Radical Distribution Function)的第一鄰近距離峰值分別位于3.00?、2.92?,對材料RDF第一鄰近距離貢獻(xiàn)最大。Zr、Pd、Al三種原子濃度、半徑的差別,Zr-Pd原子間強(qiáng)烈的相互作用,以及熔點(diǎn)的差異形成納米晶和非晶相競爭生長機(jī)制。納米晶和非晶相均形成了相互交織滲透的三維聯(lián)通網(wǎng)絡(luò),并具有良好的界面,兩相間臨界剪切應(yīng)力的差異有利于剪切帶的生成,使金屬玻璃具有延展性。第四章研究了Cu_(49)Hf_(42)Al_9金屬玻璃的微區(qū)原子結(jié)構(gòu),揭示了高自由體積金屬玻璃的延展性機(jī)理。電子衍射實(shí)驗(yàn)RDF分析表明,壓應(yīng)力應(yīng)變測試后,金屬玻璃仍然是完全無定形的結(jié)構(gòu)。壓縮樣本的基體與未經(jīng)壓縮的合金結(jié)構(gòu)相同,表明大塊金屬玻璃的塑性變形被限制在剪切帶中。自由體積看作是基體中存在剪切模量G=0的第二相,與基體之間存在較大的剪切模量差異,容易促進(jìn)剪切帶的增殖,有利于金屬玻璃獲得一定的延展性。模擬結(jié)果表明,Cu-Cu、Hf-Cu、和Hf-Hf原子對PRDF第一鄰近距離峰值分別位于2.56?、2.78?和3.23?。銅原子主要填充在鉿原子間,而Hf-Cu和Hf-Hf對原子鄰近距離的貢獻(xiàn)最大。Hf-Hf原子對有寬的分布,外部施加應(yīng)力時,能在較大的距離范圍形成穩(wěn)定的連接,從而使金屬玻璃具有延展性。第五章研究了Ti_(49)Nb_(42)Al_9金屬玻璃的微區(qū)原子結(jié)構(gòu),揭示了雙非晶相的微區(qū)原子結(jié)構(gòu)差異使金屬玻璃具有延展性的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明Ti_(49)Nb_(42)Al_9金屬玻璃是完全的無定型結(jié)構(gòu)。從電子衍射獲取的微區(qū)RDF,發(fā)現(xiàn)兩種截然不同的微區(qū)無定型結(jié)構(gòu):A型、B型,兩種類似同質(zhì)多晶的雙非晶相結(jié)構(gòu),其中,A型在實(shí)驗(yàn)中更容易發(fā)現(xiàn)。PRDF顯示了Ti-Nb、Nb-Nb、Nb-Al第一和第二鄰近距離的增加,伴隨著Ti-Ti第一和第二鄰近距離的縮短。研究發(fā)現(xiàn)Ti-Ti-Nb-Ti和Ti-Ti-Nb-Al兩種環(huán)狀結(jié)構(gòu),A型具有更多Ti-Ti-Nb-Ti環(huán)狀結(jié)構(gòu),而在B型中,Ti-Ti-Nb-Al比A型中多一些。雙非晶相的產(chǎn)生是由于材料局部區(qū)域原子的鄰近距離、化學(xué)成分、連接方式等差異造成的,數(shù)量眾多的兩種非晶相界面具有較高的臨界剪切應(yīng)力,在一定程度上阻止裂紋擴(kuò)展,有利于剪切帶增殖,使金屬玻璃具有延展性。電子衍射是研究金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能的強(qiáng)有力手段。RDF分析呈現(xiàn)了金屬玻璃Zr_(50)Pd_(40)Al_(10)、Cu_(49)Hf_(42)Al_9、Ti_(49)Nb_(42)Al_9的原子分布。用RMC、DFT模擬優(yōu)化原子模型獲取PRDF,并討論了原子間鄰近距離、原子連接及原子間的相互作用等微區(qū)原子結(jié)構(gòu)。最后從原子結(jié)構(gòu)角度揭示了晶體—非晶復(fù)合材料、高自由體積、雙非晶相結(jié)構(gòu)三種金屬玻璃的延展性機(jī)理。
【圖文】：

即 Voronoi 指數(shù)。一個二十面體的 Voronoi 指數(shù)是<0描述金屬玻璃結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。早在 1952 年，F(xiàn)rank[25排列在另一個硬球的周圍，如果這些排列方式之間不能化，有 3 種方式，即常見的 FCC，HCP 堆積和二十面某些金屬玻璃中不存在或者所占比例非常低[26]，因此，，屬玻璃體系的原子結(jié)構(gòu)。制形成過程是合金從高溫熔融態(tài)快速降溫的過程，該過程中的原子來不及重排形成有序結(jié)構(gòu)，所以在體系中不析璃。金屬玻璃的形成與降溫速率有極大的關(guān)系，隨著溫生了變化，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以形成。圖 1-1 所示為熔體的體化情況。

第一章 緒論和鎳對玻璃態(tài)二氧化硅和非晶碳薄膜進(jìn)行了精確校準(zhǔn)，采用方位角平均法對衍射圖樣和強(qiáng)度進(jìn)行積分，并將強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為 RDF，進(jìn)而與 Mozzi 等人[75]利用 X 射線和中子衍射進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)這種方法也能夠取得很好的準(zhǔn)確性。1.4.2 會聚束衍射Cockayne 等人之前證明的 RDF 分析，僅限于使用平行光照形成的衍射圖樣，以確保點(diǎn) p 處測量的強(qiáng)度來自特定的散射矢量，如圖 1-2 所示。然而，由于平行探針的尺寸的限制，為了研究材料更小的體積，McBride 等人[76]探索使用會聚光束照射的衍射技術(shù)。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.8

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2594423