壓縮塑性變形對(duì)Zr基塊體金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能的影響.pdf

1、塊體金屬玻璃，由于具有獨(dú)特性能，如高強(qiáng)度、高彈性極限、優(yōu)異的軟磁性能以及良好的耐腐蝕性，近年來吸引了人們廣泛關(guān)注。室溫下，金屬玻璃發(fā)生非均勻塑性變形，即變形高度局域化于剪切帶。然而，由于剪切帶具有應(yīng)變軟化的本質(zhì)，金屬玻璃在變形時(shí)，剪切變形通常集中在某個(gè)或幾個(gè)主剪切帶上，直至發(fā)生斷裂，因此金屬玻璃宏觀延展性很低。金屬玻璃的室溫脆性極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。此外，非均勻塑性變形對(duì)金屬玻璃結(jié)構(gòu)與性能有很大影響。相對(duì)未變形的非晶基體，剪

2、切帶上有更多的自由體積。伴隨剪切帶引入，增加的自由體積會(huì)導(dǎo)致金屬玻璃的軟化，而剪切帶相互作用卻會(huì)導(dǎo)致金屬玻璃的硬化。然而，自由體積及剪切帶相互作用這兩種競(jìng)爭(zhēng)因素如何共同影響金屬玻璃力學(xué)性能尚不清楚。因此，研究金屬玻璃塑性變形中剪切帶和自由體積的演化，對(duì)理解金屬玻璃的非均勻塑性變形機(jī)理、克服金屬玻璃的脆性、探究變形后金屬玻璃結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)聯(lián)具有重要意義。其次，減小剪切帶間距是克服金屬玻璃脆性難題的重要途徑。因此，引入分布均勻、間距細(xì)小的剪

3、切帶，對(duì)于解決該難題有重要價(jià)值。最后，探索具有良好綜合性能的合金成分，可拓寬金屬玻璃在各領(lǐng)域的應(yīng)用。元素添加是開發(fā)具有良好綜合性能的金屬玻璃體系的有效手段。因此，深入研究元素添加對(duì)金屬玻璃結(jié)構(gòu)、玻璃形成能力和性能的影響具有重要意義?；谝陨线@些問題，本論文開展了以下三部分工作：
　　(1)研究了Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃壓縮塑性變形中剪切帶、自由體積的演化。分析研究了自由體積和剪切帶共同作用對(duì)金

4、屬玻璃硬度的影響。使用X射線衍射(XRD)及透射電子顯微術(shù)(TEM)對(duì)樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。通過掃描電子顯微術(shù)(SEM)及統(tǒng)計(jì)方法定量研究了塑性變形中剪切帶密度、剪切帶間距及其分布、剪切帶相互作用的演化。使用差示掃描量熱法(DSC)對(duì)Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃中自由體積的絕對(duì)含量實(shí)現(xiàn)定量確定。研究表明，Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃的硬度隨應(yīng)變的變化展現(xiàn)出先下降后增加的

5、變化趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)變從6％增加至83%時(shí)，剪切帶密度從0.04μm-1增加至0.92μm-1，平均剪切帶間距從25.4μm減小至1.1μm，剪切帶間距的分布寬度逐漸縮小。剪切帶交割點(diǎn)數(shù)目隨應(yīng)變的增加而增加。當(dāng)應(yīng)變大于47%時(shí)，大量的細(xì)微剪切帶形成，剪切帶交割點(diǎn)數(shù)目隨應(yīng)變?cè)黾佣焖僭黾印Ｊ覝叵聵悠分凶杂审w積絕對(duì)含量隨應(yīng)變?cè)黾佣鴨握{(diào)增加。自由體積導(dǎo)致的軟化和剪切帶相互作用導(dǎo)致的硬化共同影響Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金

6、屬玻璃的硬度變化。應(yīng)變0%至47%范圍內(nèi)，硬度下降的原因是增加的自由體積導(dǎo)致的軟化。應(yīng)變47%至83%范圍內(nèi)，剪切帶相互作用導(dǎo)致的硬化除抵消自由體積導(dǎo)致的軟化外，還導(dǎo)致硬度隨應(yīng)變?cè)黾佣黾?。反?fù)壓縮循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨剪切帶相互作用增大。Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃呈現(xiàn)出明顯的幾何硬化行為。
　　(2)采用壓縮塑性變形，在含弧形邊沿的韌性Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10金屬玻璃中

7、引入了分布廣、間距細(xì)小的高密度剪切帶。所引入剪切帶的平均間距為520 nm左右。部分區(qū)域內(nèi)剪切帶間距降至110 nm左右。此外，采用壓縮塑性變形，在含弧形邊沿的脆性Cu60Zr30Ti10金屬玻璃中也引入了高密度剪切帶。
　　(3)系統(tǒng)研究了Ti添加對(duì)Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃的結(jié)構(gòu)、玻璃形成能力、晶化方式及性能的影響。本工作采用水冷 Cu模吸鑄法制備(Zr64.13Cu15.75Ni10.12

8、Al10)100-xTix(x=0-7)塊體金屬玻璃。XRD結(jié)果表明，在Ti含量為x=0-7范圍內(nèi)，合金結(jié)構(gòu)均為非晶態(tài)。Ti添加提高了約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度。綜合分析約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度及XRD結(jié)果得出，Ti添加提高了Zr-Cu-Ni-Al體系的玻璃形成能力。相比于Ti含量為x=0和1的樣品，當(dāng)Ti含量x≥2時(shí)，合金的晶化行為表現(xiàn)為兩步晶化，且第一步晶化的產(chǎn)物為二十面體準(zhǔn)晶，表明合金的非晶基體中存在大量強(qiáng)二十面體短程序。當(dāng)Ti含量x≤6時(shí)，(Zr