本文關(guān)鍵詞：Zr-Ni基非晶的低溫結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及合金化控制

  更多相關(guān)文章： Zr-Ni基非晶 結(jié)構(gòu)失穩(wěn) 低溫晶化 解耦合 快速擴(kuò)散

【摘要】：Zr-Ni體系是重要的二元非晶基礎(chǔ)體系,且Zr、Ni組元與氫(及其同位素)之間具有特殊的親合作用,相關(guān)非晶顯示出優(yōu)良的儲(chǔ)氫和氫輸運(yùn)特性,有用作儲(chǔ)氫或透氫材料的潛力。但非晶合金在熱力學(xué)上處于亞穩(wěn)態(tài),其結(jié)構(gòu)與服役穩(wěn)定性一直是非晶合金材料的重要研究課題。一般認(rèn)為,非晶合金在低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí),具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,這常作為確定相關(guān)非晶材料實(shí)際服役溫度的重要依據(jù)。目前,有關(guān)非晶合金材料的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)研究大都集中在Tx及其以上溫度；Zr-Ni非晶的低溫(指Tg溫度以下)晶化行為與機(jī)制并無定論,需明晰與澄清。近期人們發(fā)現(xiàn)原子快速擴(kuò)散可引發(fā)非晶低溫結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與晶化。因此,Zr-Ni基非晶合金的快速擴(kuò)散行為與控制研究對(duì)該類材料的發(fā)展與應(yīng)用至關(guān)重要。基于這一背景,本文擬通過電子顯微術(shù),結(jié)合熱分析等手段,系統(tǒng)研究典型Zr-Ni二元快淬非晶的低溫結(jié)構(gòu)演化行為,并運(yùn)用非晶合金的原子遷移理論,探討相關(guān)非晶低溫結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主導(dǎo)因素,揭示影響Zr-Ni非晶低溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原子遷移行為與機(jī)理；隨后研究合金組元添加對(duì)Zr-Ni非晶低溫晶化的影響作用,以尋求控制與延緩相關(guān)非晶低溫晶化行為的有效方法。主要研究結(jié)果如下：(1)Zr60Ni40；非晶合金在Tg-130K溫度下長時(shí)間等溫退火均無晶化發(fā)生；在Tg-30K溫度下退火處理50mmin后開始出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu),隨退火時(shí)間延長,晶化產(chǎn)物和樣品的晶化程度增加,依次出現(xiàn)hP2-Zr、cI2-Zr和底心正交結(jié)構(gòu)的未知亞穩(wěn)相(a=0.912nm, b=0.529nm, c=0.954nm).(2)對(duì)于近共晶點(diǎn)Zr64.3Ni35.7(Tg=388℃,Tx=414℃)團(tuán)簇成分式[Ni3Zr8](Ni2Zr)成分與Zr76Ni24(Tg=325℃,Tx=355℃)附近團(tuán)簇成分式[Ni3Zr8]Zr成分,引入Ti元素后得到的[Ni3Zr8](NiTi2)與[Ni3Zr8]Ti合金(對(duì)應(yīng)于原子百分比成分Zr57.14Ni28.57Ti14.29和Zr66.67Ni25Ti8.33)的非晶形成能力無明顯變化,與原合金一樣,僅能形成條帶非晶；在熱穩(wěn)定性方面,Zr57.14Ni28.57Ti14.29非晶的Tg與Tx分別為326℃和365℃Ze66.67Ni25Ti8.33非晶的Tg與他、Tx分別為326℃和351℃；其值與基礎(chǔ)Zr-Ni二元非晶的接近或更低。(3)Al的加入有利于Zr-Ni合金非晶形成能力與穩(wěn)定性的提升。團(tuán)簇成分式為[Ni3Zr8](NiAl2)和[Ni3Zr8]Al(對(duì)應(yīng)于原子百分比成分Zr57.14Ni28.57Al14.29和Zr66.67Ni25Ai8.33)合金均可制備出直徑2mm的非晶鑄棒；在熱穩(wěn)定性方面,Zr57.14Ni28.57Al14.29的Tg與Tx值為439℃和515℃,分別比Zr64.3Ni35.7二元基礎(chǔ)非晶的高出51℃和101℃:Zr66.67Ni25Al8.33的Tg、Tx分別為384℃和446℃,分別比Zr76Ni24非晶高出近59℃和91℃。(4)晶化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明：Zr64.3Ni35.7非晶玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg處對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)激活能Eg為141KJ/mol,初始晶化開始處的激活能Ex為424KJ/mol。Zr76Ni24非晶的Eg為232KJ/mol, Ex為224KJ/mol。對(duì)于含Ti非晶,Zr57.14Ni28.57Ti14.29非晶的乓為133KJ/mol,Ex為273KJ/mol,第一晶化峰的峰值處對(duì)應(yīng)的激活能Ep1為300KJ/mol; Zr66.67Ni25Ti8.33非晶的Eg為243KJ/mol,Ex為286KJ/mol,Wp1為241KJ/mol;而含Al的Zr57.14Ni28.57Al14.29非晶的Eg為583KJ/mol, Ex為366KJ/mol, Ep為350KJ/mol; Zr66.67Ni25Al8.33非晶的Eg為330KJ/mol, Ex為253KJ/mol,Ep1為234KJ/mol, Ep2為219KJ/mol。可見,經(jīng)Al合金化后Zr-Ni非晶合金的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)激活能值均遠(yuǎn)高于未合金化以及含Ti的非晶合金,表明Al的加入對(duì)提升Zr-Ni非晶穩(wěn)定性,延緩相關(guān)非晶的低溫結(jié)構(gòu)失穩(wěn)行為的發(fā)生效果明顯。(5)低溫晶化行為與原子快速擴(kuò)散現(xiàn)象有關(guān)。Zr-Ni非晶中存在由Zr、Ni大小不等的原子構(gòu)成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)在Tg溫度以上可以發(fā)生整體流動(dòng)遷移；在Tg以下的溫區(qū),團(tuán)簇整體凍結(jié),引發(fā)ZnNi原子解耦合效應(yīng),而小尺寸Ni原子可獨(dú)自發(fā)生快速擴(kuò)散行為,最終導(dǎo)致非晶結(jié)構(gòu)低溫失穩(wěn)。(6)通過添加合適合金化組元的方法,可有效抑制Zr-Ni非晶中中小原子快速擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。本文中,合金化組元Al與基體組元Zr, Ni原子間均具有大的負(fù)混合焓,可以形成強(qiáng)鍵合,導(dǎo)致所形成的團(tuán)簇更穩(wěn)定,這在很大程度上阻礙或延遲了低溫下Ni與其它原子間的解耦合效應(yīng)進(jìn)程,進(jìn)而避免或抑制了單原子快速擴(kuò)散行為的發(fā)生。該方法對(duì)增強(qiáng)與提高非晶材料的結(jié)構(gòu)與服役穩(wěn)定性具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：Zr-Ni基非晶 結(jié)構(gòu)失穩(wěn) 低溫晶化 解耦合 快速擴(kuò)散
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG146.414
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-22
• 1.1 非晶合金及發(fā)展現(xiàn)狀10
• 1.2 非晶合金的形成及性能10-13
• 1.2.1 非晶合金形成原理10-11
• 1.2.2 影響非晶合金形成的因素及非晶合金制備方法11-12
• 1.2.3 非晶合金特殊性能12-13
• 1.3 非晶合金結(jié)構(gòu)特征13-15
• 1.3.1 非晶合金結(jié)構(gòu)研究方法和結(jié)構(gòu)模型13-14
• 1.3.2 非晶合金中的結(jié)構(gòu)不均勻性14-15
• 1.4 非晶合金的穩(wěn)定性15-20
• 1.4.1 非晶合金的晶化研究15-16
• 1.4.2 非晶合金原子擴(kuò)散行為16-18
• 1.4.3 非晶合金中弛豫行為研究18-19
• 1.4.4 二元非晶合金中低溫晶化行為研究19-20
• 1.5 本文的立題依據(jù)及研究內(nèi)容20-22
• 2 樣品制備及檢測(cè)方法22-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)方案22
• 2.2 樣品制備22-25
• 2.2.1 母合金錠制備22-24
• 2.2.2 條帶樣品制備24
• 2.2.3 棒狀樣品制備24-25
• 2.3 檢測(cè)技術(shù)及參數(shù)25-27
• 2.3.1 物相分析25
• 2.3.2 熱分析25-26
• 2.3.3 TEM分析26-27
• 3 Zr_(60)Ni_(40)非晶合金低溫晶化行為研究27-36
• 3.1 急冷快淬條帶樣品27-28
• 3.2 Zr_(60)Ni_(40)非晶的低溫晶化28-34
• 3.2.1 573K(=T_g-130K)溫度等溫退火樣品29
• 3.2.2 673K(=T_g-30K)溫度等溫退火樣品29-34
• 3.3 Zr_(60)Ni_(40)非晶的低溫晶化行為分析34-35
• 3.4 小結(jié)35-36
• 4 Zr_(57.14)Ni_(28.57)Ti_(14.29)和Zr_(57.14)Ni_(28.57)Ti_(14.29)的GFA與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性36-46
• 4.1 合金的非晶形成能力36-37
• 4.1.1 急冷非晶條帶樣品XRD36-37
• 4.1.2 鑄棒樣品的XRD結(jié)果分析37
• 4.2 非晶條帶的穩(wěn)定性研究37-40
• 4.2.1 DTA結(jié)果分析38
• 4.2.2 DSC結(jié)果分析38-40
• 4.3 非晶條帶晶化行為研究40-44
• 4.3.1 Zr_(57.14)Ni_(28.57)Ti_(14.29)非晶不同階段的晶化產(chǎn)物41
• 4.3.2 非晶條帶的晶化動(dòng)力學(xué)分析41-44
• 4.4 結(jié)果及分析44-46
• 5 Zr_(66.67)Ni_(25)Ti_(8.33)和Zr_(66.67)Ni_(25)Ti_(8.33)合金的GFA與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性46-54
• 5.1 合金的非晶形成能力46-47
• 5.2 非晶條帶的穩(wěn)定性研究47-48
• 5.2.1 DTA結(jié)果分析47
• 5.2.2 DSC結(jié)果分析47-48
• 5.3 非晶條帶的晶化行為研究48-52
• 5.3.1 非晶條帶不同階段的晶化產(chǎn)物48-50
• 5.3.2 非晶條帶的晶化動(dòng)力學(xué)分析50-52
• 5.4 本章小結(jié)52-54
• 結(jié)論54-56
• 參考文獻(xiàn)56-61
• 附錄A 部分Zr-Ni二元非晶相關(guān)參數(shù)61-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況62-63
• 致謝63-64

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3 本報(bào)記者 倪e，

本文編號(hào)：610138