Cu基塊體非晶合金的玻璃形成能力、晶化機(jī)制及變形誘發(fā)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化.pdf

1、非晶合金因其獨(dú)特的機(jī)械、物理和化學(xué)性能成為極具應(yīng)用潛力的先進(jìn)材料。然而，合金玻璃形成能力的表征仍然是非晶研究領(lǐng)域未解決的關(guān)鍵問題，現(xiàn)有的各種表征方法都無法解釋一些例外的情況。傳統(tǒng)快淬薄片非晶至少有一維方向的尺寸很小，室溫變形時獲得的應(yīng)變極其有限，限制了在不同應(yīng)變量下微觀結(jié)構(gòu)及性能變化的研究，而塊體非晶合金的出現(xiàn)使得室溫下的大塑性變形成為可能，為該研究創(chuàng)造了條件。本文基于非晶合金形成過程的熱力學(xué)和動力學(xué)，對非晶形成能力的本質(zhì)進(jìn)行了探討。

2、 ⑴綜合利用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析了Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金在等溫和連續(xù)加熱退火過程中的晶化機(jī)制，考察了Cu60Zr20Ti20和Cu47.5Zr47.5Al5塊體非晶合金在軋制變形到不同應(yīng)變量時的自由體積和微觀結(jié)構(gòu)，并測量了其顯微硬度，由此闡明了它們隨軋制溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量的變化規(guī)律，以及它們之間的關(guān)聯(lián)特性，為塊體非晶合金的成分設(shè)計和非晶基復(fù)合材料

3、的開發(fā)提供新思路。 ⑵在綜合考慮非晶形成熱力學(xué)和動力學(xué)的前提下，提出表征玻璃形成能力的新判據(jù)，即Tk/Tl(Tk-Kauzmann溫度，Tl-合金液相線溫度)和D(合金液體的脆性參數(shù))。研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)在強(qiáng)液體特性的合金或脆液體特性的合金中，Tk/Tl可以很好地表征合金的玻璃形成能力，Tk/Tl越大，玻璃形成能力越好，并且D值的改變并不影響Tk/Tl的表征作用。同時，在對這兩類合金的玻璃形成能力進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Tk/Tl相等時，D

4、值越大，玻璃形成能力越高。 ⑶Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金的晶化過程為兩階段晶化，第一個晶化反應(yīng)為初生型晶化，析出納米尺寸的Cu51Zr14相，第二個晶化反應(yīng)為共晶型反應(yīng)，析出晶化相為Cu51Zr14和Cu2ZrTi。時間關(guān)聯(lián)形核過程存在于Cu60Zr20Ti20非晶合金的初生晶化和剩余非晶的晶化過程中。Cu60Zr20Ti20非晶合金在過冷液相區(qū)等溫晶化時初生Cu51Zr14相的形核激活能不僅與等溫退火前的加熱速度有關(guān)

5、，加熱速度越快，形核激活能越小，而且還與孕育期起始點算法有關(guān)。但是有效晶化激活能與加熱速度和孕育期起始點算法無關(guān)。 ⑷Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金在室溫和150K低溫軋制過程中獲得的最大應(yīng)變量均高達(dá)97％，且大變形后的樣品仍具有很好的韌性。對應(yīng)于每一種變形工藝都存在著一個臨界應(yīng)變量，低于這個臨界應(yīng)變量，樣品中只有剪切帶產(chǎn)生，高于這個應(yīng)變量，則有相變發(fā)生。無論是提高軋制溫度還是提高應(yīng)變速率，發(fā)生相變的臨界應(yīng)變量都下降。相變

6、類型都從單純的相分離向同時發(fā)生相分離和納米晶化的方向轉(zhuǎn)變，并且相分離后的非晶成分更加偏離合金原始成分。Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金在150K低溫進(jìn)行軋制時，如果應(yīng)變速率ε=1.0×10-4s-1，試樣在軋制到最大應(yīng)變量97％時仍保持單一非晶狀態(tài)。當(dāng)ε=5.0x10-4s-1時，試樣在應(yīng)變量ε大于93％時發(fā)生相分離。提高ε至5.0×10-3s-1時，發(fā)生相分離的臨界應(yīng)變量降低到89％。在更大的應(yīng)變速率5.0×10-1s-1下，在ε

7、＞67％時就同時發(fā)生相分離和納米晶化。固定應(yīng)變速率ε=5.0×10-3s-1，提高軋制溫度到室溫，試樣在ε＞87％也同時發(fā)生相分離和晶化。軋制后的試樣只有剪切帶而沒有相變發(fā)生時，非晶合金的熱穩(wěn)定性沒有明顯變化。相分離一旦出現(xiàn)則會降低非晶合金的熱穩(wěn)定性和退火時的晶化激活能。如果相分離和晶化同時發(fā)生，合金的熱穩(wěn)定性和晶化激活能會進(jìn)一步降低。 ⑸在Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金低溫、低應(yīng)變速率的軋制過程中觀察到了單一非晶狀態(tài)下自

8、由體積在高應(yīng)變量下的飽和現(xiàn)象。提高應(yīng)變速率，自由體積在變形初期的增加速度、單一非晶合金試樣中自由體積達(dá)到飽和的臨界應(yīng)變量以及飽和自由體積含量也隨之上升。雖然自由體積飽和的臨界應(yīng)變量隨應(yīng)變速率的上升而上升，但是相變發(fā)生的臨界應(yīng)變量卻隨之下降，這兩個臨界應(yīng)變量之間的競爭決定了塑性變形過程中自由體積含量能否在樣品還是單一非晶相時達(dá)到飽和。剪切帶中自由體積崩潰成納米空洞是導(dǎo)致自由體積飽和的根本原因。相分離的出現(xiàn)并不明顯改變自由體積含量，但是晶化

9、的發(fā)生使自由體積含量降低。 ⑹應(yīng)變速率為5.0×10-3s-1的298K室溫和150K低溫軋制變形都沒有導(dǎo)致Cu47.5Zr47.5Al5非晶樣品發(fā)生相分離或晶化，只是在靠近剪切帶的非晶基體上，出現(xiàn)了原子尺度的成分結(jié)構(gòu)不均勻性。應(yīng)變量在從0到最大值97％的變化過程中，自由體積含量持續(xù)升高。由于塑性變形過程中絕熱加熱使剪切帶中的材料被加熱到均勻變形溫度區(qū)間，強(qiáng)化了變形過程中自由體積的湮滅，導(dǎo)致低溫軋制樣品中的自由體積含量高于室溫軋

10、制樣品，并且相同應(yīng)變量下低溫和室溫軋制樣品之間自由體積含量的差別也隨應(yīng)變速率的增加而減小，使不均勻變形過程中自由體積演化呈現(xiàn)與已有理論完全不一致的變化。 ⑺Cu60Zr20Ti20塊體非晶合金在軋制變形過程中發(fā)生相分離或晶化時材料的顯微硬度急劇上升。相分離析出的富Cu非晶相的硬度高于原始非晶相，相分離是導(dǎo)致強(qiáng)化的主要原因。在塑性變形過程中形成的納米晶體含有明顯的晶體缺陷，使得其強(qiáng)化作用下降。在變形非晶合金中相分離可能是比晶化更加