大塊非晶基復合材料在過冷液態(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)、力學性能試驗機、顯微維氏硬度計等實驗手段系統(tǒng)研究了 ZrCuNiAlTa塊狀非晶合金基復合材料的形成機理、顯微結構、變溫和等溫晶化動力學、過冷液態(tài)區(qū)形變行為以及變形后的結構和性能。利用Lennard-Johnon勢函數(shù)對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程進行了分子動力學模擬。

2、>　　采用電弧熔煉/水冷銅模吸鑄技術通過在強非晶形成體系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合材料。XRD、SEM和DSC實驗結果表明:合金中Zr、Cu元素含量比例不同會影響ZrCuNiAlTa合金鑄態(tài)基體的結構、熱穩(wěn)定性和晶化行為。當化學成分為(Zr75Cu25)74.5Al7.5Ni10Ta8時,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合材料(BMGC)。
　

3、　(Zr75Cu25)74.5Al7.5Ni10Ta8的變溫晶化動力學研究表明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,說明該復合材料非晶基體具有良好的熱穩(wěn)定性。等溫晶化動力學研究表明:在等溫條件下合金晶化過程中經(jīng)歷了三個階段,且存在兩種不同的轉(zhuǎn)變機制。在晶化的初期和后期,晶化機制是擴散控制的成核率穩(wěn)定的三維長大;在晶化中期是成核率不斷變化由擴散控制的三維長大。晶化中期出現(xiàn)Avrami指數(shù)大于4.0,說明在晶化過程中出現(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)定性和晶化過程中異常的Avrami指數(shù)都源于復合材料內(nèi)存在大量結構缺陷,從而增加了缺陷形核的幾率,促進了晶化過程中形核速率增加而抑制了長大速率。
　　利用Instron力學性能實驗機研究了(Zr75Cu25)74。5Ta8Al7.5Ni10塊狀非晶基復合材料在過冷液態(tài)區(qū)內(nèi)(673K-723K),應變速率8×10-4s-1-8×10-2 s-1條件下的單向壓縮變形行為。結果表明

5、:BMGC在過冷液態(tài)區(qū)內(nèi)的形變行為強烈依賴于溫度和變形速率。在低的應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)關系(Stretched Exponential Function)和基于自由體積模型的過渡態(tài)理論(Transition State Theory)對該塊狀非晶基復合材料在過冷液態(tài)區(qū)

6、內(nèi)的流變行為進行了分析。研究發(fā)現(xiàn),BMGC在過冷液態(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)關系式,說明含有第二相的塊體非晶合金在過冷液態(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)過渡態(tài)理論中應力和應變率的關系式對實驗數(shù)據(jù)進行了擬合,得到了 Zr55.9Cu18.6Ta8Al7.5Ni10塊狀非晶基復合材料不同溫度下形變過程中的活化體積Va ct。研究發(fā)現(xiàn)非晶基復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)等機械和熱學性能不同引起兩相界面間不匹配導致大量的結構缺陷所引起的。
　　對變形后的非晶基復合材料的結構和性能的研究表明,高應變率下的形變可引起非晶結構的有序化和硬度降低,這歸因于形變誘導了復合材料中非晶基體的自由體積的增加,同時證明了材料的變形過程就是自由體積總量及其分布變化的過程。
　　分子動力學分析結果表明模擬的應力-應變曲線開始階段材料發(fā)生了彈性