ZrCuNiAl非晶合金的原子尺度結(jié)構(gòu)演變和變形行為研究.pdf

1、本文利用同步輻射高能X射線衍射,原位研究了Zr53Cu18.7Ni12Al16.3(Zr53)、Zr51.9Cu23.3Ni10.5Al14.3(Zr51.9)和Zr50.7Cu28Ni9Al12.3(Zr50.7)非晶合金在熔體冷卻過(guò)程、加熱過(guò)程和準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮過(guò)程的原子尺度結(jié)構(gòu)演變;并通過(guò)剪切應(yīng)力弛豫,原位研究了Zr53、Zr51.9和Zr50.7非晶合金從室溫到玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近的結(jié)構(gòu)弛豫行為。
　　將同步輻射高能X射線衍射與噴

2、氣式熔體懸浮技術(shù)相結(jié)合,原位研究了Zr53、Zr51.9和Zr50.7非晶合金在熔體冷卻過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變。在噴氣式熔體懸浮條件下,Zr53、Zr51.9和Zr50.7三種非晶合金的臨界冷卻速率Rc分別為:Rc,Zr53>108K/s、39K/s

3、積熱膨脹系數(shù)受熔體冷卻速率的影響不明顯。但是,隨著Zr53、Zr51.9和Zr50.7非晶合金玻璃形成能力的提高,其對(duì)應(yīng)的原子尺度體積熱膨脹系數(shù)逐漸減小。
　　將同步輻射高能X射線衍射與原位加熱相結(jié)合,研究了Zr53、Zr51.9和Zr50.7塊體非晶合金在升溫過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變。Zr53、Zr51.9和Zr50.7散射函數(shù)S(Q)的第一和第二最強(qiáng)衍射峰的峰位q1和q2,以及約化徑向分布函數(shù)G(r)的第一和第二近鄰配位原子間距r1和r

4、2,隨著溫度的升高,都呈線性增長(zhǎng)。但是,q1、q2、r1和r2隨溫度升高,其變化都不同步。r1和r2隨溫度的不同變化率表明,非晶合金的原子短程有序結(jié)構(gòu)內(nèi)存在著隨溫度升高而逐漸增加的熱膨脹剪切應(yīng)變。當(dāng)加熱到玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí),該熱膨脹剪切應(yīng)變可以達(dá)到非晶合金塑性屈服的臨界應(yīng)變。
　　利用高分辨的X射線對(duì)Zr50.7塊體非晶合金在加熱過(guò)程結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了原位研究。隨著溫度的升高,其散射函數(shù)S(Q)的第一、第二和第三最強(qiáng)衍射峰的峰位、峰高和峰寬

5、都具有明顯的結(jié)構(gòu)弛豫特征。衍射峰的峰位、峰高和峰寬隨溫度的變化可分為:弛豫溫度之前的線性降低區(qū)、弛豫溫度和玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)之間的非線性變化區(qū)、以及過(guò)冷液相區(qū)中的線性變化區(qū)。對(duì)應(yīng)于衍射峰的峰位、峰高和峰寬隨溫度的變化,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)弛豫溫度和玻璃轉(zhuǎn)變溫度并不相同。高分辨率約化徑向分布函數(shù)G(r)的變化表明,Zr50.7非晶合金的原子尺度熱膨脹,在第一近鄰配位殼層內(nèi)主要是通過(guò)配位原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),而在第二近鄰配位殼層內(nèi)則由自由體積的增加和結(jié)構(gòu)弛豫

6、兩個(gè)因素控制。
　　將同步輻射高能X射線衍射與原位壓縮加載相結(jié)合,研究了Zr53塊體非晶合金在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變。在塑性變形過(guò)程中,Zr53塊體非晶合金的原子尺度表觀應(yīng)變?cè)诩虞d軸方向一直處于飽和狀態(tài),但在垂直于加載軸的平面內(nèi)卻持續(xù)增加。這揭示了Zr53非晶合金在壓縮塑性變形過(guò)程中,其非晶態(tài)背底中存在大量的原子尺度均勻流變。這一均勻流變,一方面為剪切帶的萌生提供了有利條件;另一方面也有效松弛了剪切帶和非晶態(tài)基體間的應(yīng)力集中,減

7、弱了剪切帶災(zāi)難性擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)而提高了Zr53非晶合金的塑性變形能力。
　　利用透射電子顯微鏡對(duì)變形后Zr53非晶合金中的剪切帶進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),Zr53非晶合金塑性的提高,除了原子尺度均勻流變的累積貢獻(xiàn)外,還得益于其內(nèi)部豐富的微剪切帶對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn),二次剪切帶之間的相互作用,以及二次剪切帶與納米晶以及主剪切帶間的強(qiáng)烈相互作用。
　　采用剪切應(yīng)力弛豫方法,原位研究了Zr53、Zr51.9和Zr50.7薄帶非晶合金以及Zr50

8、.7塊體非晶合金,從室溫到玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg附近,在等溫過(guò)程和線性升溫過(guò)程的結(jié)構(gòu)弛豫行為。隨著弛豫溫度的升高,Zr53、Zr51.9和Zr50.7非晶合金的結(jié)構(gòu)弛豫先增強(qiáng)后減弱。弛豫結(jié)構(gòu)單元能譜密度,也隨著弛豫結(jié)構(gòu)單元激活能的升高先增加后減小。Zr53、Zr51.9和Zr50.7非晶合金的玻璃形成能力與結(jié)構(gòu)弛豫的關(guān)聯(lián),在等溫過(guò)程并不明顯;但在線性升溫過(guò)程中,隨著玻璃形成能力的提高,結(jié)構(gòu)弛豫逐漸加快。弛豫結(jié)構(gòu)單元能譜密度的對(duì)比則表明,在低溫時(shí)