鐵基塊體金屬玻璃及其復(fù)合材料的強(qiáng)韌化研究.pdf

1、Fe基塊體金屬玻璃以其高強(qiáng)度，高硬度，高彈性極限以及低廉的材料成本等優(yōu)異性能，使其成為產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊的下一代結(jié)構(gòu)材料。然而，極低的室溫塑性變形能力極低（壓縮塑性應(yīng)變通常低于0.2％），嚴(yán)重限制了Fe基塊體金屬玻璃的廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型的高強(qiáng)度并兼有良好塑韌性的Fe基塊體金屬玻璃及其復(fù)合材料，成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料前沿領(lǐng)域的熱門課題，具有重要意義。根據(jù)形成組元的不同，F(xiàn)e基金屬玻璃可大致劃分為Fe(B，Si)-系和Fe(P，C)-系兩大

2、類型，其中Fe(P，C)-系金屬玻璃具有較好的塑韌性。為了提高Fe基金屬玻璃的室溫塑性，本文提出了發(fā)展單一“a-Fe”韌性相增強(qiáng)的Fe基塊體金屬玻璃基內(nèi)生復(fù)合材料的設(shè)想。依據(jù)這一研究思路，通過(guò)合理的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一系列新型鐵基塊體金屬玻璃及其復(fù)合材料。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（TEM）、示差掃描量熱儀（DSC）、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)研究了其顯微結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)

3、定性及室溫力學(xué)行為。主要的結(jié)論概括如下：
　　 （1）通過(guò)電弧熔煉/水冷銅模吸鑄技術(shù)，利用適量的Ni部分替換Fe，獲得了具有良好室溫塑性變形能力的新型(Fe0.8Ni0.2)71Mo5P12C10B2塊體金屬玻璃，壓縮塑性應(yīng)變超過(guò)5 ％，這歸因于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和冷液相區(qū)DTx的降低，在外載荷作用下，金屬玻璃結(jié)構(gòu)易于失穩(wěn)而展現(xiàn)出更好的塑性變形能力。
　　 （2）根據(jù)相選擇理論，在FeMoPCB金屬玻璃中，首次獲得了含有

4、均布于玻璃相基體上的單一α-Fe枝晶相的Fe金屬玻璃內(nèi)生復(fù)合材料。在形變過(guò)程中，韌性α-Fe枝晶相在抑制合金單一剪切帶的迅速失穩(wěn)擴(kuò)展的同時(shí)，也促進(jìn)了多重剪切帶的萌生，使得Fe77Mo5P9C7.5B1.5金屬玻璃基復(fù)合材料展現(xiàn)出比單一Fe基金屬玻璃具有更好的室溫塑性變形能力，1mm直徑壓縮樣品的宏觀壓縮塑性應(yīng)變超過(guò)30 ％。
　　 （3）以Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃為初始合金，分別沿簡(jiǎn)化的Fe-Mo-(PC

5、B)成分三角形中水平向右和右下角富Fe端方向開(kāi)發(fā)了一系列玻璃基內(nèi)生復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，沿水平向右方向制備的復(fù)合材料，其第二相分布更均勻。而沿右下角方向獲得的復(fù)合材料，其第二相呈現(xiàn)“螺旋狀”的不均勻分布，這主要是由于類金屬和金屬M(fèi)o含量的減少，破壞了初始合金的玻璃形成能力所致。
　　 （4）當(dāng)α-Fe樹(shù)枝晶原位析出的體積分?jǐn)?shù)少于5％時(shí)，不能有效阻礙主剪切帶的失穩(wěn)擴(kuò)展，此時(shí)的塑性變形主要依賴于金屬玻璃基體。當(dāng)α-Fe相繼續(xù)增加至臨界

6、體積分?jǐn)?shù)（約30～50％）時(shí)，析出相相互連接，形成“手拉手”的網(wǎng)狀分布，復(fù)合材料中的局域剪切斷裂源隔離為一個(gè)個(gè)孤立的局部剪切區(qū)域，此時(shí)材料表現(xiàn)出宏觀塑性變形。當(dāng)?shù)诙嗟捏w積分?jǐn)?shù)超過(guò)逾滲閾值后，塑形變形能力下降。
　　 （5）通過(guò)單邊缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到了Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃、Fe77Mo5P9C7.5B1.5和Fe79Mo5P8C6.7B1.3金屬玻璃基復(fù)合材料的缺口斷裂韌性分別為：27.2±2.1

7、 Mpa-m1/2、36.7±4.3 Mpa-m1/2和25.5±4.0 Mpa-m1/2。研究指出，低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和剪切模量G，是Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃具有良好斷裂韌性的主要原因。
　　 （6）TEM結(jié)果表明，F(xiàn)e77Mo5P9C7.5B1.5金屬玻璃基復(fù)合材料中析出的第二相為單一的α-Fe相。韌性的α-Fe相能夠有效地避免裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展，同時(shí)促進(jìn)了裂紋分叉，使得Fe77Mo5P9C7.5B1