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铁基大块非晶合金的玻璃形成能力及断裂行为

陈庆军  
【摘要】: 本文研究了Y、Ni和Co元素添加对Fe基大块非晶合金玻璃形成能力的影响,提出一个能更加准确地评价非晶合金玻璃形成能力的判据,并分析了Fe基大块非晶合金的室温断裂行为。 研究了Y元素和Ni元素分别在Fe-Cr-Mo-C-B合金系和Fe-Co-Zr-Mo-W-B合金系进行添加替换Fe原子和Co原子,并进行成分优化来寻找具有最佳玻璃形成能力的合金成分。在Fe_(45-x)Cr_(16)Mo_(16)C_(18)B_5Y_x (x=1, 2, 3)合金系中当Y元素为2 at%时,采用铜模铸造技术就可以制备出直径达6 mm Fe_(43)Cr_(16)Mo_(16)C_(18)B_5Y_2大块非晶合金。并对Y元素添加对Fe45-xCr_(16)Mo_(16)C_(18)B_5Yx (x=1, 2, 3)合金系玻璃形成能力的有益性进行了分析。在相同制备条件下,在Fe_(58)Co_(10-x)NixZr_(10)Mo_5W_2B_(15) (x=3, 4, 5, 6)合金系制备出直径为3 mm Fe_(58)Co_6Ni_4Zr_(10)Mo_5W_2B_(15)大块非晶态合金。并分析了Ni元素含量变化与合金非晶形成能力和热稳定性之间的变化规律以及从相竞争角度解释了Ni元素添加对提高合金玻璃形成能力的作用。 目前对大块非晶合金形成的物理本质的理解并不成熟,往往通过一个能够表征非晶态合金玻璃形成能力的参数来寻找具有最佳玻璃形成能力的合金。根据经典形核和长大理论,提出一个新的大块非晶合金判据δ。在分析现有文献报道大量实验数据基础上,以非晶样品临界尺寸Dmax作为衡量合金非晶形成能力的标准,对大块非晶合金玻璃形成能力新判据进行了验证,结果表明新判据能够较好地反映大块非晶合金玻璃形成能力的变化趋势。在大量实验数据基础上,对比新判据与?Tx、Trg和γ判据发现,δ判据能更好地体现大块非晶合金的物理本质以及能更加准确地预测非晶合金的玻璃形成能力。应用新判据在Fe基合金系开发出具有高玻璃形成能力的新型大块非晶合金。 根据固溶理论和相竞争理论,在Fe_(48)Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2合金中添加Co元素替换Fe元素,研究其对合金非晶形成能力的影响。实验结果表明,当Co元素添加量为3 at%、5 at%、7 at%和9 at%时,确实可以明显提高合金的玻璃形成能力。尤其是,当Co元素含量为7 at%时,采用工业原材料和普通铜模铸造技术就可以制备出直径至少为16 mm Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金。X射线(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)实验结果都显示这种新型材料是由单一的非晶相组成。这是迄今为止玻璃形成能力最强的铁基大块非晶合金。通过对合金熔体结构的研究进一步证实了Co元素添加导致液态合金混乱度增加和析出相之间的竞争加剧。根据公式计算出Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的临界冷却速率Rc和过冷熔体与晶化相之间的吉布斯自由能差都比较小,从合金凝固的热力学和动力学方面解释了Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金具有高玻璃形成能力的原因。 Fe基大块非晶合金具有高强度和高硬度,被称为“非晶钢”,作为结构材料具有广泛的应用前景。研究了不同形式应力作用下Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的断裂行为。弯曲实验表明,此合金在剪切力的作用下断裂面与其轴线方向成57o,并呈现出脆性断裂特征。压痕实验也证实了Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的脆性断裂本质,同时也暗示着这种新型大块非晶合金内部结构的不均匀性。纳米压痕实验结果表明Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的弹性模量和微观硬度分别达到265.1和15.9 GPa。室温压缩实验结果表明Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的压缩断裂强度高达3.5 GPa,弹性应变为1.5 %,塑性应变几乎为零。这意味着这种新型大块非晶合金是一种高强度脆性合金。值得注意的是这种新型Fe基大块非晶合金的室温压缩断裂以一种奇特的方式进行:粉碎性断裂。通过压缩断口形貌观察,分析了Fe_(41)Co_7Cr_(15)Mo_(14)C_(15)B_6Y_2大块非晶合金的脆性断裂过程,并解释了其脆性断裂的机制。


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