晶化行為對(duì)大塊非晶合金力學(xué)性能的影響.pdf

1、傳統(tǒng)的晶體材料其晶格內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）有規(guī)則的在三維空間呈周期性重復(fù)排列，而非晶合金中原子的排列混亂，類(lèi)似于玻璃，故又稱為金屬玻璃。非晶合金或金屬玻璃合金與傳統(tǒng)氧化物玻璃不同，合金中原子間的結(jié)合是金屬鍵，而不是共價(jià)鍵，所以許多與金屬相關(guān)的特性被保留下來(lái)。非晶合金中無(wú)位錯(cuò)和晶界，是一種無(wú)定型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能有重要影響。非晶合金的研究是從20世紀(jì)30年代開(kāi)始的，開(kāi)始時(shí)只能得到非晶態(tài)薄膜，70年代技術(shù)的發(fā)展得到了非

2、晶薄帶，再到80年代制備了毫米級(jí)的非晶棒材，90年代得到了厘米級(jí)的非晶棒。迄今為止，隨著技術(shù)的發(fā)展，制備工藝的改良，人們發(fā)現(xiàn)了更多新型多組元合金體系的大塊非晶合金。它們具有很高的非晶形成能力，能在非常低的冷卻速率條件下，形成較大的尺寸。然而非晶合金對(duì)溫度比較敏感，在成形過(guò)程中就不可避免的要發(fā)生晶化行為。非晶合金的晶化是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力為非晶相和結(jié)晶相之間的自由能差。其結(jié)晶過(guò)程是一種相反應(yīng)或相轉(zhuǎn)變過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，非晶合金

3、可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌膩喎€(wěn)相或穩(wěn)定相。非晶樣品退火，控制退火溫度和退火時(shí)間制備出部分或完全晶化的納米晶合金。在塊體非晶合金中，發(fā)現(xiàn)存在三類(lèi)轉(zhuǎn)變。（1）多形性轉(zhuǎn)變：由玻璃相轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤煞值膯我患{米晶相。（2）共晶納米晶化：由玻璃同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N納米相，納米相的生長(zhǎng)類(lèi)似于從液相結(jié)晶的共晶相的生長(zhǎng)模式。一般而言，合金成分處于共晶點(diǎn)附近的時(shí)候，最容易發(fā)生這種相變。（3）初始晶化。所有非晶均按上述晶化機(jī)制的一種進(jìn)行結(jié)晶。在給定的條件下按哪一種方式進(jìn)行結(jié)晶

4、，不僅取決于熱力學(xué)的驅(qū)動(dòng)力，也取決于每一反應(yīng)的激活能壘，因此也取決于每一反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。
　　 本課題的研究目的就是為了確定納米晶化與非晶合金高溫力學(xué)性能之間的關(guān)系，目標(biāo)是量化不同程度晶化對(duì)非晶合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。建立考慮晶化相體積分?jǐn)?shù)影響的過(guò)冷液態(tài)大塊非晶合金粘性變形過(guò)程本構(gòu)方程。
　　 本論文以大塊非晶合金為研究對(duì)象，進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究1．部分晶化非晶合金樣品的制備。
　　 2．對(duì)部分晶化的非晶合金的

5、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的表征。
　　 3．通過(guò)材料制備實(shí)驗(yàn)獲得不同晶化相體積分?jǐn)?shù)的大塊非晶合金試樣，利用熱模擬實(shí)驗(yàn)建立流動(dòng)應(yīng)力與溫度、應(yīng)變速率和晶化相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。根據(jù)過(guò)冷液態(tài)大塊非晶合金粘度與溫度和應(yīng)變速率關(guān)系的Arrhenius型VFT方程，引入納米晶體積分?jǐn)?shù)對(duì)于粘性流動(dòng)的作用，完善過(guò)冷液態(tài)大塊非晶合金的力學(xué)本構(gòu)方程通過(guò)材料制備和組織表征實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)所需的不同晶化相體積分?jǐn)?shù)的大塊非晶合金試樣；利用材料熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究納米

6、晶體積分?jǐn)?shù)對(duì)大塊非晶合金粘性變形的影響規(guī)律，建立流動(dòng)應(yīng)力與溫度、應(yīng)變速率和晶化相體積分?jǐn)?shù)四者之間關(guān)系的本構(gòu)方程。
　　 選用Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag3非晶合金作為研究對(duì)象，用銅模吸鑄法制備出8-10mm的非晶棒材，該非晶合金的形成能力很強(qiáng)，在過(guò)冷液相區(qū)具有高的熱穩(wěn)定性。論文中進(jìn)行了靜態(tài)退火實(shí)驗(yàn)和高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合示差掃描量熱分析（DSC）、X射線衍射分析（XRD）以及顯微硬度分析等實(shí)驗(yàn)手段，考察大塊非晶合金

7、在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)晶化的影響；變形溫度、保溫時(shí)間及應(yīng)變速率對(duì)熱壓縮變形的影響；納米晶化與非晶合金高溫變形行為之間的關(guān)系；嘗試擬合本構(gòu)方程反映流動(dòng)應(yīng)力、溫度、應(yīng)變速率和晶化相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。
　　 靜態(tài)退火實(shí)驗(yàn)是在Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag3非晶合金的Tg點(diǎn)和Tx點(diǎn)之間選取了3個(gè)溫度點(diǎn)，作為退火溫度點(diǎn)，對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)分別進(jìn)行5min、10min、20min、40min的保溫時(shí)間，以獲取不同晶化程度

8、的非晶合金。對(duì)退火后的樣品進(jìn)行DSC測(cè)試，測(cè)量其Tg點(diǎn)和Tx點(diǎn)的變化，通過(guò)計(jì)算其放熱焓ΔH計(jì)算其晶化相體積分?jǐn)?shù)；用XRD測(cè)試分析其晶化相的成分；利用顯微硬度儀測(cè)試其顯微硬度的變化和分布。進(jìn)行橫向和縱向比較并分析其差異，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律。
　　 高溫壓縮實(shí)驗(yàn)是在Gleeble3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。首先是制備長(zhǎng)度在7-8mm的非晶短棒，并設(shè)法保證其倆端面平行，能與實(shí)驗(yàn)機(jī)壓頭完美的接觸。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選用了與靜態(tài)退火實(shí)驗(yàn)中選擇的溫度

9、和保溫時(shí)間，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。由于材料性能的原因?qū)е略谟械膶?shí)驗(yàn)條件下無(wú)法完成壓縮，故在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充，選擇了440℃進(jìn)行了壓縮。我們?cè)O(shè)計(jì)了幾類(lèi)壓縮實(shí)驗(yàn)來(lái)研究非晶合金的高溫流變行為：（1）相同的變形溫度和保溫時(shí)間，在不同的應(yīng)變速率下的壓縮實(shí)驗(yàn)；（2）相同的保溫時(shí)間和應(yīng)變速率，不同的變形溫度下的壓縮實(shí)驗(yàn)；（3）相同的變形溫度和應(yīng)變速率，不同的保溫時(shí)間下的壓縮實(shí)驗(yàn)。對(duì)壓縮后的樣品進(jìn)行DSC測(cè)試，測(cè)量其Tg點(diǎn)和Tx點(diǎn)的變化，通過(guò)計(jì)算其放熱焓

10、ΔH計(jì)算其晶化相體積分?jǐn)?shù)；利用顯微硬度儀測(cè)試其顯微硬度的變化。對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)上獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，獲得真應(yīng)力應(yīng)變曲線。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，分析影響其晶化相體積分?jǐn)?shù)和變形溫度、保溫時(shí)間、變形速率以及峰值應(yīng)力之間的關(guān)系。
　　 基于對(duì)Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag3非晶合金過(guò)冷液相區(qū)流變行為的研究，利用Arrhenius型VFT方程，確定流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系。嘗試建立Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag

11、3非晶合金過(guò)冷液相區(qū)流變行為的本構(gòu)方程。對(duì)晶化相體積分?jǐn)?shù)和峰值應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行擬合。主要結(jié)論如下：
　　 1．非晶合金靜態(tài)退火過(guò)程中，在同一溫度下退火，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)晶化面積增大，其晶化速率先緩后急。晶化速率與時(shí)間關(guān)系曲線呈S型變化；晶化速率隨著退火溫度的升高而增加，S型曲線變陡；樣品退火時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫過(guò)程，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)有一定量納米晶的析出，導(dǎo)致退火后樣品的顯微硬度增高。
　　 2．非晶合金的熱壓縮實(shí)驗(yàn)表明，變形

12、力對(duì)非晶晶化具有促進(jìn)作用。當(dāng)樣品中晶化相體積分?jǐn)?shù)很少時(shí)，變形力對(duì)晶化的促進(jìn)作用不是很明顯；在晶化相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定比例后，變形力對(duì)非晶晶化的促進(jìn)作用非常顯著；當(dāng)晶化相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大后，變形力對(duì)晶化的促進(jìn)作用減弱。
　　 3．大塊非晶合金的高溫均勻塑性流變行為依賴于溫度和應(yīng)變速率，隨著溫度的降低或應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)出牛頓流向非牛頓流的轉(zhuǎn)變。非晶合金熱壓縮變形時(shí)，在相同的變形溫度和保溫時(shí)間下，峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的降低而下降；在

13、相同的保溫時(shí)間和應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低；在相同的變形溫度和應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力值隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。壓縮后樣品硬度的變化與晶化相體積分?jǐn)?shù)有關(guān)：截面硬度的分布與變形量分布具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，變形量大的區(qū)域硬度值高，變形量小的區(qū)域硬度值低。
　　 4．根據(jù)Arrhenius型VFT方程，確定流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，進(jìn)而考慮晶化相體積分?jǐn)?shù)對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響，嘗試進(jìn)行流動(dòng)應(yīng)力和晶化相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線的擬