Mg-Cu-Gd（-Al）塊體非晶合金的形成能力及力學(xué)行為研究.pdf

1、塊體非晶合金具有高的強(qiáng)度、硬度、優(yōu)異的耐磨性，因而吸引了廣大材料工作者對(duì)其進(jìn)行了大量的理論和應(yīng)用研究。在各種塊體非晶合金中，鎂基塊體非晶合金的玻璃形成能力強(qiáng)、比強(qiáng)度高且價(jià)格優(yōu)廉，被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)材料。然而，與晶態(tài)合金相比，無(wú)論是基礎(chǔ)理論，還是宏觀性能和應(yīng)用方面，都還存在很多問(wèn)題有待解決。目前，鎂基塊體非晶合金的形成和力學(xué)性能的研究還很不系統(tǒng)，尤其在變形、斷裂及微觀機(jī)制等方面的研究仍存在很多的爭(zhēng)議，因而需要進(jìn)一步深入研究。

2、 本文以鎂基塊體非晶合金為研究對(duì)象，采用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、光學(xué)顯微鏡(OM)以及帶能譜分析(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段，通過(guò)對(duì)合金壓縮性能和磨損性能的測(cè)試，研究了Al對(duì)Mg-Cu-Gd塊體非晶合金玻璃形成能力、室溫壓縮性能及磨損性能的影響，同時(shí)采用壓痕法對(duì)合金的微區(qū)力學(xué)性能和變形行為進(jìn)行了測(cè)試和分析，并利用該合金系研究塊體非晶合金的變形、斷裂及磨損機(jī)理。 研究表明：Mg<,65

3、>Cu<,25>Gd<,10>合金具有較強(qiáng)的玻璃形成能力，利用銅模噴鑄法可制備出直徑8mm的完全非晶樣品；用適量的Al代替合金中Cu能保持合金良好的玻璃形成能力，含3﹪A1時(shí)可制備出最小6mm的完全非晶合金棒；但Al含量增加到5﹪時(shí)，合金的GFA急劇下降，只能得到2mm的完全非晶合金棒。在Mg<,65>Cu<,25-x>Al<,x>Gd<,10>(x=0，1，3和5 at．﹪)合金中，隨著Al含量的增加，合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度提高而晶化溫度

4、逐漸降低，導(dǎo)致合金的過(guò)冷液相區(qū)減小，合金的GFA也相應(yīng)下降。另外，R<,c>、T<,rg>、K、γ及△T<'*>等參數(shù)值也能在一定程度上反映Mg-Cu-Gd(-A1)合金的GFA變化。在Mg-Cu-Gd合金中加入Al后，破壞了合金過(guò)冷液體的穩(wěn)定，促進(jìn)了競(jìng)爭(zhēng)晶體AICuGd三元相和其它晶體相的析出，從而導(dǎo)致合金的玻璃形成能力下降。加入5﹪Al后，合金的成分顯著偏離共晶成分點(diǎn)，因而玻璃形成能力急劇降低。 利用Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)

5、研究Mg<,65>Cu<,25-x>Al<,x>Gd<,10>(x=0，1，3和5 at．﹪)塊體非晶合金室溫壓縮性能，結(jié)果表明：塊體非晶合金隨Al含量的增加，其抗壓強(qiáng)度逐漸提高，用3﹪的Al置換合金中的Cu在有效提高強(qiáng)度的同時(shí)，顯著改善了非晶合金的塑性，合金的斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別達(dá)到898MPa和0.2﹪。斷口分析表明，Mg<,65>Cu<,25-x>Al<,x>Gd<,10>塊體非晶合金的斷口上只有少量的剪切帶擴(kuò)展，而Mg<,65

6、>Cu<,25-x>Al<,x>Gd<,10>塊體非晶合金在應(yīng)力作用下通過(guò)自由體積的聚集和合并形成大量的剪切帶，這些剪切帶相互交割和分枝，從而顯著提高了塑性。加A1抑制了裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展也是塑性提高的重要原因。研究還發(fā)現(xiàn)，Mg<,65>Cu<,25>Gd<,10>和Mg<,65>Cu<,24>Al<,1>Gd<,10>塊體非晶合金的斷裂方式為典型的脆性斷裂，但其斷口上存在納米尺度的“韌窩”結(jié)構(gòu)，從而說(shuō)明塊體非晶合金的脆性斷裂具有微觀的韌

7、性機(jī)制。顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果表明：加載5s時(shí)，Mg-Cu-Gd(-Al)塊體非晶合金的顯微硬度值波動(dòng)較大，加載時(shí)間達(dá)到10s后硬度值趨于穩(wěn)定。說(shuō)明塊體非晶合金達(dá)到穩(wěn)定的彈、塑性變形需要一定的時(shí)間。Mg基非晶合金的T<,g>較低，壓頭壓入后可能會(huì)發(fā)生蠕變，但在本試驗(yàn)條件下并不明顯。載荷小于200g時(shí)，Mg-Cu-Gd(-Al)塊體非晶合金的顯微硬度值較高，載荷達(dá)到200g以后，顯微硬度值趨于穩(wěn)定，可能的原因是載荷較小時(shí)，沒(méi)有超過(guò)剪切帶開(kāi)動(dòng)抗力

8、，限制了大量剪切帶的形成和擴(kuò)展，顯微硬度較高。因而選用載荷500g下保壓15s作為顯微硬度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。隨著Al含量的增加，Mg-Cu-Gd(-Al)塊體非晶合金的顯微硬度逐漸增加，不含Al時(shí)合金的硬度為242HV，當(dāng)含5﹪A1時(shí)合金的硬度值達(dá)到最大271.HV。分析其原因是Al與合金各組元之間的相互作用力較強(qiáng)，導(dǎo)致塊體非晶合金的表面壓入抗力顯著提高。 顯微壓痕法是近年來(lái)出現(xiàn)的一種測(cè)試材料微區(qū)力學(xué)性能和變形行為的新方法，本文利

9、用顯微壓痕法、掃描電鏡等研究了鎂基塊體非晶合金的微區(qū)變形行為。當(dāng)載荷較小時(shí)，在上部表面壓痕的一條棱線邊緣出現(xiàn)了半圓弧狀滑移臺(tái)階，這是由于變形時(shí)剪切帶擴(kuò)展到表面而形成的，當(dāng)載荷達(dá)到1000g時(shí)，Mg65Cu22A13Gdlo塊體非晶合金三條棱線邊緣都出現(xiàn)了這種滑移臺(tái)階。不同載荷下，塊體非晶合金界面變形區(qū)內(nèi)剪切帶擴(kuò)展類型以半圓弧狀一次剪切帶為主，同時(shí)存在與之相切或呈45°的放射狀二次剪切帶。與Mg<,65>Cu<,25>Gd<,10>塊體非

10、晶合金相比，Mg<,65>Cu<,22>Al<,3>Gd<,10>塊體非晶合金在較大載荷下(1000g)還出現(xiàn)了與上表面垂直的三次剪切帶，說(shuō)明該塊體非晶合金具有更好的塑性變形能力。塊體非晶合金變形區(qū)尺寸(δ和h)與加載載荷呈線性比例關(guān)系，但其與總的變形區(qū)尺寸的比值(δ/D和h/H)不隨載荷的變化而變化。塊體非晶合金在壓痕周?chē)乃苄宰冃问峭ㄟ^(guò)局域化剪切帶的產(chǎn)生與擴(kuò)展來(lái)進(jìn)行的，各種類型的剪切帶中以一次剪切帶為主，只有在較高載荷下才會(huì)出現(xiàn)二次

11、和三次剪切帶。因此認(rèn)為半圓弧狀一次剪切帶是Mg-Cu-Gd(-Al)塊體非晶合金在壓頭下端微區(qū)內(nèi)進(jìn)行塑性非均勻變形的主要機(jī)制。 磨損試驗(yàn)表明：Mg<,65>Cu<,25-x>Al<,x>Gd<,10>(x=0，1，3和5 at．﹪)塊體非晶合金試樣的磨損失重量均與行程及載荷成線性關(guān)系。隨著Al含量的增加，其耐磨性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中含3﹪Al時(shí)塊體非晶合金的耐磨性最好。Mg<,65>Cu<,25>Gd<,10>塊體非晶合

12、金主要為微觀切削和壓碎的磨損機(jī)理，隨著Al含量從1﹪增加到3﹪，塊體非晶合金的磨損機(jī)制逐漸過(guò)渡為微觀切削和多次塑性變形導(dǎo)致斷裂的綜合磨損機(jī)理。當(dāng)Al含量進(jìn)一步增加大到5﹪，其磨損機(jī)制主要為微觀切削和剝落所產(chǎn)生的磨損機(jī)理。Mg<,65>Cu<,25>Al<,x>Gd<,10>(x=0，1，3和5 at．﹪)塊體非晶合金的磨損率與其顯微硬度成反比，但并不完全符合晶體材料的磨料磨損簡(jiǎn)化模型，鎂基非晶合金的磨損模型的建立需要在原有模型中加入與材