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Fe-Ni-P-B合金的深过冷凝固组织及力学性能研究

张长青  
【摘要】: 研究深过冷条件下合金的凝固组织与性能对认识合金材料在远离平衡条件下的凝固规律、组织演化和探索提高合金的非晶形成能力及开发高性能材料具有重要理论意义和实用价值。研究结果将为金属材料快速凝固组织形态控制及性能优化提供实验依据和科学基础。本文采用玻璃熔覆提纯法得到了Fe-Ni-P-B合金在不同过冷度下的凝固组织,研究了该合金在不同过冷度和不同冷却速度下的凝固组织演变规律,并对其力学性能及断裂行为进行研究。 研究结果表明不同过冷度下Fe-Ni-P-B合金的晶态凝固组织存在显著差异。随着过冷度的不断提高,该合金的凝固组织从亚共晶组织转变为共晶组织,并在更大过冷度下转变为液相Spinodal分解所导致的网络结构凝固组织。并利用深过冷条件下液相Spinodal分解行为制备了晶粒尺寸小于50nm的块体纳米晶材料。研究结果表明尽管过冷度对凝固组织形态有显著影响,但不同过冷度下的晶态凝固组织均由(Fe,Ni)_3(P,B)和γ-(Fe,Ni)相组成。通过提高冷却速度,在提纯和水淬的条件下还制备出了φ1.6mm的块体非晶合金棒及纳米晶/非晶复相合金材料。 室温下,Fe_(40)Ni_(40)P_(14)B_6块体非晶合金的压缩塑性应变量可达5.21%,远远高于其它铁基非晶合金和大多数非晶合金材料(ε2%)的塑性应变量。表明塑性变形能力差(ε≤0.5%)的铁基非晶合金的延性也能得到显著改善。该非晶合金的良好塑性归因于纳米尺度的成分不均匀性,这种化学成分的不均匀性是由于合金熔体在冷却过程中发生了液态相分离所致。该非晶合金具有较高的强度和具有应变硬化特征,到目前为止,在其它铁基非晶合金中还未发现存在这种应变硬化特征。 Fe_(40)Ni_(40)P_(14)B_6纳米晶/非晶复相合金材料的塑性变形量和断口形貌与晶态相的体积分数密切相关。当块体非晶合金中存在约1.5vol.%纳米晶态相时,该合金的塑性变形量显著降低至约为0.33%,并且在该复相合金材料断口的非晶基体上发现纳米尺度的波纹。而Fe_(40)Ni_(40)P_(14)B_6块体非晶合金的断口为典型的脉状剪切断口,未发现存在纳米尺度的波纹形貌。


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