第 1 章 緒 論

獨(dú)特的類液體結(jié)構(gòu)造就了非晶合金諸多優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)性能[2]，這些優(yōu)異的性能使得非晶合金材料在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如在軍事領(lǐng)域，非晶合金在動(dòng)態(tài)加載條件下，由局部剪切變形造成的自銳性使得非晶合金特別適合用于制備動(dòng)能穿甲彈，從而代替具有嚴(yán)重污染的貧鈾穿甲彈；在航空航天領(lǐng)域，由于塊體非晶合金中的原子是隨機(jī)密堆排列的，沒有晶體結(jié)構(gòu)的通道效應(yīng)，故用ZrAlNiCu塊體非晶合金制成的太陽風(fēng)搜集器[3]可有效地截留高能粒子；在醫(yī)療領(lǐng)域，塊體非晶合金相較于現(xiàn)今金屬生物醫(yī)用材料具有更好的機(jī)械性能，更高的耐腐蝕、耐磨性，以及優(yōu)異的生物相容性等[4-5]，可被用于制備性能更卓越的外科手術(shù)器件或者人造骨骼等。然而，非晶合金在室溫下的塑性變形極不均勻，其塑性主要集中在厚約~20nm的剪切帶中，表現(xiàn)為高度局域化的不均勻的塑性流變[6-8]，故而，在室溫條件下，塊體非晶合金在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，將只形成少量剪切帶，并快速擴(kuò)展形成裂紋。因此，塊體非晶合金在室溫變形時(shí)均發(fā)生災(zāi)難性脆性斷裂。
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第 2 章 實(shí)驗(yàn)材料制備與研究方法

2.1 TiZrNiCuBe 及 ZrCuNiAl 塊體非晶合金的制備
將純度在 99.9%以上的 Ti、Zr、Ni、Cu、Be、Al 金屬元素按配比組合。制備前，為了防止?fàn)t內(nèi)殘余物污染樣品，需用酒精棉仔細(xì)清理銅坩堝和爐壁。熔煉母合金錠前，首先需先熔化另一坩堝中的海綿鈦 2~3min，以吸附爐腔內(nèi)的可能殘余氧氣等雜質(zhì)氣體。金屬原材料經(jīng)引弧熔化后，對(duì)金屬液進(jìn)行電磁攪拌以加快不同合金元素之間的混合，并反復(fù)熔煉 4 次，從而保證母合金錠的成分均勻。最后將制備的母合金錠經(jīng)撥料桿移至吸鑄坩堝內(nèi)再次熔化，熔化后的合金液在熔化室與鑄造室間氣壓差的作用下，經(jīng)石墨管注入水冷銅模中，進(jìn)而獲得3mm 厚的板狀樣品。所制備的 Ti 基及 Zr 基塊體非晶合金板樣品的外觀形貌如圖 2-1 所示。

2.2 脈沖電流處理方法和設(shè)備
利用線切割將樣品切割成 2 mm×3 mm×30 mm 的長(zhǎng)條形。在室溫環(huán)境下將長(zhǎng)條形樣品通過銅夾持電極(圖 2-2(a)所示)接入放電回路中，之后向儲(chǔ)能電容器組充電(圖 2-2(b)所示)，經(jīng)觸發(fā)電路觸發(fā)，向樣品放電產(chǎn)生高密度電流，，并由TDS3012 型示波器(圖 2-2(c)所示)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定脈沖電流波形。實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖 2-3 所示。脈沖電流波形是正弦阻尼衰減波包，如圖 2-4 所示。由 Pyris-I 型差示掃描量熱儀(DSC)獲得鑄態(tài)及各脈沖電流處理態(tài)試樣的DSC 曲線。測(cè)試時(shí)，在流動(dòng)的高純氬氣的保護(hù)下，先采用空的 Al 坩堝測(cè)試基線，以保證所得 DSC 曲線的準(zhǔn)確性，之后，將經(jīng)過超聲波清洗器清除表面污垢后的樣品稱重(小于 30mg)后放入 Al 坩堝內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。此外，升溫速率改變后，需重新使用空的 Al 坩堝再次測(cè)量基線。

第 3 章 脈沖電流處理對(duì)Ti基塊體非晶合金的影響..............................................18

3.1 引言........................................ 18

3.2 脈沖電流處理對(duì)TiZrNiCuBe塊體非晶合金微觀組織的影響 .................. 18

第 4 章 脈沖電流處理對(duì)Zr基塊體非晶合金的影響 .............................................41

4.1 引言.................................. 41

4.2 脈沖電流處理對(duì)ZrCuNiAl塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響 ...................... 41

結(jié)論....................58

第 4 章 脈沖電流處理對(duì) Zr 基塊體非晶合金的影響

4.1 引言
1996 年，Inoue[73]采用吸鑄方法首次制備出長(zhǎng)為 50mm，直徑達(dá)到 30mm的Zr55Cu30Ni5Al10塊體非晶合金。該非晶合金的三維尺寸極大地突破了傳統(tǒng)非晶合金的尺寸限制，使得非晶合金具有的高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)良性能可以得到更好的應(yīng)用。然而，Zr55Cu30Ni5Al10塊體非晶合金室溫塑性極低，如何提高其室溫塑性一直是非晶領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。Kato等人[74]將ZrC顆粒加入Zr55Cu30Ni5Al10塊體非晶合金中制備出的顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料，邱克強(qiáng)等人[75]用滲流鑄造法制備的鎢絲纖維增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料均可有效提高非晶合金的室溫塑性。然而，如何發(fā)現(xiàn)更簡(jiǎn)便、更有效地提高其室溫塑性的方法仍需要繼續(xù)探索。本文對(duì)Zr55Cu30Ni5Al104.2 脈沖電流處理對(duì) ZrCuNiAl 塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響塊體非晶合金進(jìn)行脈沖電流處理，利用納米壓痕、室溫壓縮、SEM、TEM等手段研究脈沖電流處理對(duì)Zr基塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，并闡述Zr基塊體非晶合金室溫塑性變化與其微觀結(jié)構(gòu)變化之間的內(nèi)在關(guān)系。

4.2 脈沖電流處理對(duì) ZrCuNiAl 塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響
由第三章中公式(3-2)，(3-3)可計(jì)算出脈沖電流處理后，ZrCuNiAl塊體非晶合金試樣的最高溫度Tmax。對(duì)于本文中采用的ZrCuNiAl塊體非晶合金，其比熱容c為 336 J/kg•K，密度ρ為 6.79×103kg/m3，電阻率γ為 1.815×106Ω•m。計(jì)算結(jié)果如表 4-1 所示。從表 4-1 中可以看出，脈沖電流處理后，即使脈沖處理電壓達(dá)到最高設(shè)定的 4200V，ZrCuNiAl塊體非晶合金最大溫升Tmax也只有 590 K，遠(yuǎn)低于ZrCuNiAl塊體非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg=682 K，脈沖電流處理產(chǎn)生的焦耳熱以及高密度電子流對(duì)材料施加的電子沖擊力并不能使得ZrCuNiAl塊體非晶合金克服能量勢(shì)壘而發(fā)生類似于第三章中Ti基非晶合金的晶化行為。所以，脈沖電流處理后，ZrCuNiAl合金試樣的微觀結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生顯著的改變，仍保持著單一的非晶相結(jié)構(gòu)。
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結(jié)論

本文通過研究脈沖電流處理前后Zr55Cu30Ni5Al10及Ti40Zr25Ni3Cu12Be20塊體非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)、熱性能、力學(xué)性能，并分析了不同脈沖電流處理參數(shù)塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化規(guī)律，系統(tǒng)的闡述了脈沖電流對(duì)塊體非晶合金結(jié)構(gòu)及性能影響的內(nèi)在機(jī)理。主要結(jié)論如下：(1) 由傳統(tǒng) X 射線衍射、TEM、同步輻射結(jié)果可知，對(duì)于 Ti 基塊體非晶合金，脈沖處理電壓達(dá)到 3900V 后將發(fā)生晶化行為；對(duì)于 Zr 基塊體非晶合金，本文采用的脈沖電流處理參數(shù)未引起其發(fā)生晶化行為。(2) 由高分辨(HRTEM)圖片的自相關(guān)函數(shù)原始(ACF)結(jié)果可知，隨著脈沖電流處理電壓的增加，Ti 基和 Zr 基塊體非晶合金的有序度逐漸升高，對(duì)應(yīng)的原子排列更加緊密；對(duì)于 Ti 基和 Zr 基塊體非晶合金，其有序度分別達(dá)到 14.2%和 16.3%之前，脈沖電流處理將使得兩種塊體非晶合金內(nèi)流變單元的尺寸增加，使之室溫壓縮塑性不斷升高，相應(yīng)有序度進(jìn)一步增加意味著脈沖電流處理將使得流變單元的尺寸降低，甚至消失，對(duì)應(yīng)室溫壓縮塑性逐漸降低直至消失。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：44664