Cu–Zr基非晶復(fù)合材料的制備與超塑性流變行為研究.pdf

1、室溫脆性和難加工性一直是阻礙大塊非晶合金投入工程應(yīng)用的最大障礙。近年來，人們通過在大塊非晶合金中引入不均勻結(jié)構(gòu)制備非晶復(fù)合材料，已經(jīng)基本可以解決某些非晶合金體系的室溫脆性問題，但其可加工性仍然是亟待解決的問題。一些研究者開始關(guān)注大塊非晶合金在過冷液相區(qū)的超塑性流變行為，并開始探索大塊非晶合金的近凈成形道路。但是，具有更好室溫力學(xué)性能的非晶復(fù)合材料的超塑性流變行為的研究尚處于探索階段，尤其是對(duì)于低成本的Cu–Zr基非晶體系的超塑性行為，我

2、們更是知之甚少。
　　本文首先采用銅模吸鑄法制備了 Cu40Zr44Ag8Al8非晶復(fù)合材料，并對(duì)其晶化行為和晶化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，探索該大塊非晶合金成分是否有足夠的熱穩(wěn)定性在高溫下仍能保持穩(wěn)定的超塑性變形。然后，我們對(duì)鑄態(tài)以及退火后不同晶化體積分?jǐn)?shù)的 Cu40Zr44Ag8Al8非晶復(fù)合材料進(jìn)行超塑性壓縮變形，分別研究了鑄態(tài)非晶試樣的超塑性流變行為和超塑性變形過程中的顯微組織演化、復(fù)合材料中晶體相對(duì)其超塑性流變行為的影響及其影響機(jī)

3、理。研究結(jié)果如下：
　　所制備直徑為2、3、4、6 mm的Cu40Zr44Ag8Al8試樣均為非晶復(fù)合材料，非晶基體中彌散分布著微米級(jí)及納米級(jí)的 Al3Zr晶體相。制備工藝參數(shù)—過熱度和冷卻速率對(duì)試樣顯微組織和室溫力學(xué)性能存在顯著影響。隨著過熱度和冷卻速率的提高,非晶復(fù)合材料試樣中晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，殘余非晶基體熱穩(wěn)定性逐漸提高，自由體積不斷增加。Cu40Zr44Ag8Al8復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能由非晶復(fù)合材料試樣中晶體相

4、和非晶基體中的自由體積共同控制。析出相 Al3Zr為脆性相，它的存在使剪切帶更容易產(chǎn)生，起到降低試樣強(qiáng)度的作用，因此，隨著晶化體積分?jǐn)?shù)的減少，試樣有更好的強(qiáng)度。而試樣塑性隨著非晶基體中自由體積的增加有緩慢上升的趨勢(shì)。所制備非晶復(fù)合材料試樣在室溫均有很高的強(qiáng)度，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用潛力；但塑性變形能力有限，故對(duì)其高溫流變行為的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可推動(dòng)非晶復(fù)合材料近凈成形的快速發(fā)展。
　　Zr44Cu40Ag8Al8非晶復(fù)合材料在

5、玻璃轉(zhuǎn)變溫度和過冷液相區(qū)的退火處理過程中，非晶基體中的初始微米級(jí)晶體相無論是形狀還是大小，始終沒有發(fā)生變化，退火處理對(duì)原始微米級(jí)晶體相沒有任何影響，僅納米級(jí)晶體相不斷從非晶基體中析出。對(duì)鑄態(tài) Cu40Zr44Al8Ag8非晶復(fù)合材料在過冷液相區(qū)退火，發(fā)現(xiàn) Zr44Cu40Ag8Al8非晶復(fù)合材料的晶體相析出順序?yàn)椋盒纬?Zr–Cu原子團(tuán)簇和Zr–Al原子團(tuán)簇→析出 Al3Zr晶體相→析出 Cu10Zr7晶體相。最終析出產(chǎn)物相為 Al3Z

6、r、Cu10Zr7和一些未知晶體相。
　　采用Kissinger和Ozawa方法對(duì)鑄態(tài) Cu40Zr44Ag8Al8非晶復(fù)合材料的晶化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。經(jīng)過計(jì)算得到該 BMGCs第一晶化峰的晶化激活能分別為315.69kJ/mol和312.65 kJ/mol。因此，該大塊非晶合金復(fù)合材料具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，適合進(jìn)行高溫超塑性變形。此外，該大塊非晶合金晶化過程具有很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，特征溫度對(duì)升溫速率的依賴性遵循 Lasocka方程，但

7、其晶化機(jī)理函數(shù)卻無明顯的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，與加熱速率無關(guān)。
　　對(duì)鑄態(tài) Cu40Zr44Ag8Al8非晶復(fù)合材料在過冷液相區(qū)進(jìn)行超塑性變形，發(fā)現(xiàn)其流變行為對(duì)溫度和應(yīng)變速率有很強(qiáng)的依賴性。超塑性變形真實(shí)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小和溫度的升高而減小。此外，復(fù)合材料中非晶基體在超塑性變形過程中發(fā)生納米晶化并相互連通，造成了超塑性變形曲線的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。而彌散分布的初始球形晶粒在超塑性變形過程中由于受三向壓應(yīng)力而出現(xiàn)內(nèi)凹變形，并垂直于加載方向分布。

8、
　　將鑄態(tài) Cu40Zr44Ag8Al8非晶復(fù)合材料在過冷液相區(qū)退火制備不同晶化體積分?jǐn)?shù)的非晶復(fù)合材料，并對(duì)其進(jìn)行超塑性壓縮實(shí)驗(yàn)。隨著退火時(shí)間的延長，由于高溫結(jié)構(gòu)弛豫消除了鑄態(tài)非晶復(fù)合材料中的殘余熱應(yīng)力，非晶復(fù)合材料的應(yīng)力先略微下降，然后才由于晶體相體積分?jǐn)?shù)的增多而不斷上升。退火時(shí)間小于8 min試樣的超塑性流變行為由非晶基體主導(dǎo)，并隨著應(yīng)變速率的提高由牛頓流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流動(dòng)。通過對(duì)其本構(gòu)方程的研究發(fā)現(xiàn)，不同晶化體積分?jǐn)?shù)非晶復(fù)