晶化行為對大塊非晶合金力學(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（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，而不是共價鍵，所以許多與金屬相關(guān)的特性被保留下來。非晶合金中無位錯和晶界，是一種無定型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對材料的性能有重要影響。非晶合金的研究是從20世紀(jì)30年代開始的，開始時只能得到非晶態(tài)薄膜，70年代技術(shù)的發(fā)展得到了非

2、晶薄帶，再到80年代制備了毫米級的非晶棒材，90年代得到了厘米級的非晶棒。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。然而非晶合金對溫度比較敏感，在成形過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形核和長大的過程，其驅(qū)動力為非晶相和結(jié)晶相之間的自由能差。其結(jié)晶過程是一種相反應(yīng)或相轉(zhuǎn)變過程。在這個過程中，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：由玻璃同時轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N納米相，納米相的生長類似于從液相結(jié)晶的共晶相的生長模式。一般而言，合金成分處于共晶點附近的時候，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制的一種進行結(jié)晶。在給定的條件下按哪一種方式進行結(jié)晶

4、，不僅取決于熱力學(xué)的驅(qū)動力，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)影響的過冷液態(tài)大塊非晶合金粘性變形過程本構(gòu)方程。
　　 本論文以大塊非晶合金為研究對象，進行了以下幾個方面的研究1．部分晶化非晶合金樣品的制備。
　　 2．對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．通過材料制備實驗獲得不同晶化相體積分?jǐn)?shù)的大塊非晶合金試樣，利用熱模擬實驗建立流動應(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)對于粘性流動的作用，完善過冷液態(tài)大塊非晶合金的力學(xué)本構(gòu)方程通過材料制備和組織表征實驗，獲得實驗所需的不同晶化相體積分?jǐn)?shù)的大塊非晶合金試樣；利用材料熱模擬實驗，研究納米

6、晶體積分?jǐn)?shù)對大塊非晶合金粘性變形的影響規(guī)律，建立流動應(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，在過冷液相區(qū)具有高的熱穩(wěn)定性。論文中進行了靜態(tài)退火實驗和高溫?zé)釅嚎s實驗，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驗手段，考察大塊非晶合金

7、在過冷液相區(qū)內(nèi)退火溫度和保溫時間對晶化的影響；變形溫度、保溫時間及應(yīng)變速率對熱壓縮變形的影響；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)退火實驗是在Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag3非晶合金的Tg點和Tx點之間選取了3個溫度點，作為退火溫度點，對每個溫度點分別進行5min、10min、20min、40min的保溫時間，以獲取不同晶化程度

8、的非晶合金。對退火后的樣品進行DSC測試，測量其Tg點和Tx點的變化，通過計算其放熱焓ΔH計算其晶化相體積分?jǐn)?shù)；用XRD測試分析其晶化相的成分；利用顯微硬度儀測試其顯微硬度的變化和分布。進行橫向和縱向比較并分析其差異，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律。
　　 高溫壓縮實驗是在Gleeble3800熱模擬實驗機上進行的。首先是制備長度在7-8mm的非晶短棒，并設(shè)法保證其倆端面平行，能與實驗機壓頭完美的接觸。實驗過程中選用了與靜態(tài)退火實驗中選擇的溫度

9、和保溫時間，進行壓縮實驗。由于材料性能的原因?qū)е略谟械膶嶒灄l件下無法完成壓縮，故在原有的基礎(chǔ)上進行了擴充，選擇了440℃進行了壓縮。我們設(shè)計了幾類壓縮實驗來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間，在不同的應(yīng)變速率下的壓縮實驗；（2）相同的保溫時間和應(yīng)變速率，不同的變形溫度下的壓縮實驗；（3）相同的變形溫度和應(yīng)變速率，不同的保溫時間下的壓縮實驗。對壓縮后的樣品進行DSC測試，測量其Tg點和Tx點的變化，通過計算其放熱焓

10、ΔH計算其晶化相體積分?jǐn)?shù)；利用顯微硬度儀測試其顯微硬度的變化。對實驗機上獲得的實驗數(shù)據(jù)進行整合，獲得真應(yīng)力應(yīng)變曲線。對實驗結(jié)果進行比較，分析影響其晶化相體積分?jǐn)?shù)和變形溫度、保溫時間、變形速率以及峰值應(yīng)力之間的關(guān)系。
　　 基于對Zr53.5Ni5Cu26.5Al12Ag3非晶合金過冷液相區(qū)流變行為的研究，利用Arrhenius型VFT方程，確定流動應(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非晶合金過冷液相區(qū)流變行為的本構(gòu)方程。對晶化相體積分?jǐn)?shù)和峰值應(yīng)力的關(guān)系進行擬合。主要結(jié)論如下：
　　 1．非晶合金靜態(tài)退火過程中，在同一溫度下退火，隨著保溫時間的延長晶化面積增大，其晶化速率先緩后急。晶化速率與時間關(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；樣品退火時發(fā)生結(jié)構(gòu)馳豫過程，隨著保溫時間的延長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驗表明，變形

12、力對非晶晶化具有促進作用。當(dāng)樣品中晶化相體積分?jǐn)?shù)很少時，變形力對晶化的促進作用不是很明顯；在晶化相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定比例后，變形力對非晶晶化的促進作用非常顯著；當(dāng)晶化相體積分?jǐn)?shù)進一步增大后，變形力對晶化的促進作用減弱。
　　 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，在相同的變形溫度和保溫時間下，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)力值隨著保溫時間的延長而降低。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，確定流動應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，進而考慮晶化相體積分?jǐn)?shù)對流動應(yīng)力的影響，嘗試進行流動應(yīng)力和晶化相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線的擬