大塊非晶基復(fù)合材料在過(guò)冷液態(tài)區(qū)中的形變行為的研究.pdf

1、本論文利用X射線衍射分析儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(HRTEM)、示差掃描量熱儀(DSC)、力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、顯微維氏硬度計(jì)等實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)研究了 ZrCuNiAlTa塊狀非晶合金基復(fù)合材料的形成機(jī)理、顯微結(jié)構(gòu)、變溫和等溫晶化動(dòng)力學(xué)、過(guò)冷液態(tài)區(qū)形變行為以及變形后的結(jié)構(gòu)和性能。利用Lennard-Johnon勢(shì)函數(shù)對(duì)三維二元體系非晶材料在玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近的壓縮變形過(guò)程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬。

2、>　　采用電弧熔煉/水冷銅模吸鑄技術(shù)通過(guò)在強(qiáng)非晶形成體系ZrCuNiAl中添加難熔元素Ta原位合成了含晶態(tài)第二相的塊體非晶基復(fù)合材料。XRD、SEM和DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:合金中Zr、Cu元素含量比例不同會(huì)影響ZrCuNiAlTa合金鑄態(tài)基體的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和晶化行為。當(dāng)化學(xué)成分為(Zr75Cu25)74.5Al7.5Ni10Ta8時(shí),合金鑄態(tài)形成了由單一非晶相基體和球形 Ta固溶體顆粒組成的塊體非晶合金基復(fù)合材料(BMGC)。
　

3、　(Zr75Cu25)74.5Al7.5Ni10Ta8的變溫晶化動(dòng)力學(xué)研究表明BMGC的玻璃轉(zhuǎn)變激活能較低,而晶化表觀轉(zhuǎn)變激活能較高,說(shuō)明該復(fù)合材料非晶基體具有良好的熱穩(wěn)定性。等溫晶化動(dòng)力學(xué)研究表明:在等溫條件下合金晶化過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段,且存在兩種不同的轉(zhuǎn)變機(jī)制。在晶化的初期和后期,晶化機(jī)制是擴(kuò)散控制的成核率穩(wěn)定的三維長(zhǎng)大;在晶化中期是成核率不斷變化由擴(kuò)散控制的三維長(zhǎng)大。晶化中期出現(xiàn)Avrami指數(shù)大于4.0,說(shuō)明在晶化過(guò)程中出現(xiàn)了

4、形核自加速現(xiàn)象,即瞬態(tài)形核或爆發(fā)形核。BMGC良好的熱穩(wěn)定性和晶化過(guò)程中異常的Avrami指數(shù)都源于復(fù)合材料內(nèi)存在大量結(jié)構(gòu)缺陷,從而增加了缺陷形核的幾率,促進(jìn)了晶化過(guò)程中形核速率增加而抑制了長(zhǎng)大速率。
　　利用Instron力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了(Zr75Cu25)74。5Ta8Al7.5Ni10塊狀非晶基復(fù)合材料在過(guò)冷液態(tài)區(qū)內(nèi)(673K-723K),應(yīng)變速率8×10-4s-1-8×10-2 s-1條件下的單向壓縮變形行為。結(jié)果表明

5、:BMGC在過(guò)冷液態(tài)區(qū)內(nèi)的形變行為強(qiáng)烈依賴于溫度和變形速率。在低的應(yīng)變速率和較高的溫度下的流變特征表現(xiàn)為牛頓流變,而在高的應(yīng)變速率和較低的溫度條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流變。在不同的溫度下,牛頓流變轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流變的臨界應(yīng)變速率是不同的。利用高聚態(tài)物質(zhì)的展寬弛豫函數(shù)關(guān)系(Stretched Exponential Function)和基于自由體積模型的過(guò)渡態(tài)理論(Transition State Theory)對(duì)該塊狀非晶基復(fù)合材料在過(guò)冷液態(tài)區(qū)

6、內(nèi)的流變行為進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),BMGC在過(guò)冷液態(tài)區(qū)中的流變行為能很好地符合高聚物的展寬弛豫函數(shù)關(guān)系式,說(shuō)明含有第二相的塊體非晶合金在過(guò)冷液態(tài)區(qū)中的流變行為具有與非晶高聚物相似的粘滯流變特征。此外,根據(jù)過(guò)渡態(tài)理論中應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,得到了 Zr55.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni10塊狀非晶基復(fù)合材料不同溫度下形變過(guò)程中的活化體積Va ct。研究發(fā)現(xiàn)非晶基復(fù)合材料具有比單相非晶合金在變形中具有更大的活化體積

7、和較低的流變應(yīng)力,這是由于第二相與非晶基體界面之間由于彈性模量和膨脹系數(shù)等機(jī)械和熱學(xué)性能不同引起兩相界面間不匹配導(dǎo)致大量的結(jié)構(gòu)缺陷所引起的。
　　對(duì)變形后的非晶基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能的研究表明,高應(yīng)變率下的形變可引起非晶結(jié)構(gòu)的有序化和硬度降低,這歸因于形變誘導(dǎo)了復(fù)合材料中非晶基體的自由體積的增加,同時(shí)證明了材料的變形過(guò)程就是自由體積總量及其分布變化的過(guò)程。
　　分子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始階段材料發(fā)生了彈性