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大块非晶合金的力学行为及其微观机理研究

王庆  
【摘要】: 在过去十几年里,人们发现了许多新型多组元合金体系具有很高的非晶形成能力,能在非常低的冷却速率条件下,形成大尺寸的非晶合金。与传统的非晶合金相比,这些大块非晶合金通常具有很高的热稳定性,能呈现出明显的玻璃转变过程和很宽的过冷液相区。这使得人们有足够宽的时间或温度区间来进一步深入研究非晶合金的玻璃转变、过冷金属液相的本质特征以及其力学行为与微结构的相互关系。 本文选用非晶形成能力很高,且在玻璃转变区和过冷液相区有高热稳定性的Zr_(55)Cu_(25)Ni_5Al_(10)Nb_(10)和Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10-x)Be_(22.5)Fe_x(x=0,2)等Zr基大块非晶合金,利用动态力学分析(DMA)、单向压缩实验、纳米压痕法,并结合示差扫描量热分析(DSC)、X射线衍射分析(XRD)和高分辨透射电子显微分析(HRTEM)等实验手段,研究了大块非晶合金在玻璃转变、晶化和粘滞流变等过程中的动态力学行为以及微量元素添加对其的影响,在过冷液相区的均匀塑性流变行为及其与微结构演化的相互关系。此外,还研究了微结构演化对大块非晶合金室温非均匀流变行为及其机制的影响。这些研究成果将有助于理解并进一步提高大块非晶合金的形成能力、热稳定性和力学性能。主要实验结果和结论如下: 1)动态力学分析表明Zr_(55)Cu_(25)Ni_5Al_(10)Nb_(10)大块非晶合金主弛豫(α弛豫)具有与传统非晶凝聚态物质相似的动力学特征,为非Debye弛豫。研究证实了利用准点缺陷物理模型能系统地定量描述大块非晶合金在主弛豫过程中的动态力学行为以及特征结构弛豫时间τrelax对温度的依赖关系。该模型中的参数a对τrelax(T)偏离Arrhenius关系程度的表征与众所周知的脆性参数m有很好的一致性。 2)应用准点缺陷理论定量分析了Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10-x)Be_(22.5)Fe_x(x=0,2)大块非晶合金的内耗行为。结果显示2at%Fe元素的添加导致原子基本运动的驱动能Uβ的值由0.68eV增大到1.20eV,而关联参数χ的值从0.41降低到0.38,这表明了含微量Fe元素的Zr-Ti-Cu-Ni-Be大块非晶合金具有更宽玻璃转变区和过冷液相区是因为元素添加导致非晶合金短程有序度增大、原子基本运动的驱动能提高,从而使其原子动性下降,结构弛豫时间延长所致。 3)结合Maxwell模型和Vogel-Tammann-Fulcher经验表达式定量描述了Zr_(41)Ti_(14)Cu_(12.5)Ni_8Be_(22.5)Fe)2大块非晶合金在过冷液相区的亚稳平衡内耗与温度的关系,并获得了合金过冷液相的动力学特征参数。研究发现随着2at%Fe添加,Zr-Ti-Cu-Ni-Be大块非晶合金的VFT温度T0下降至331.6K,降低了80.9K;而强度指数D *的值则从18.5增大到22.3。这表明含Fe非晶合金具有更高的非晶形成能力和热稳定性与微量Fe元素添加使其过冷液体变得更“强”有关。 4)进一步分析Zr-Ti-Cu-Ni-Be-Fe大块非晶合金过冷液相的等温内耗数据显示,该合金的等温初始晶化驱动能为3.8eV,与合金中Ti元素的扩散驱动能Q_(Ti) =4.09(±0.46) eV相当。结合文献报道的晶化研究成果表明该多组元Zr基大块非晶合金在过冷液相区的等温晶化是一个原子扩散控制过程,其中Ti元素的移动和重排起着至关重要的作用。 5)Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金的高温均匀塑性流变行为依赖于温度和应变速率,随着温度的降低或应变速率的增大呈现出牛顿流变向非牛顿流变的转变。研究发现非晶合金的流变行为不仅可以用经验的扩展指数函数表达式,还可用物理模型,如基于自由体积模型的过渡态理论来定量描述。合金过冷液相均匀流变的驱动参数:驱动体积V_(act)为160 A 3,驱动能为4.6eV,其与合金过冷液相中原子的扩散驱动能值基本一致。这表明Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金在过冷液相区的均匀塑性流变受原子扩散控制,并且是多原子协同运动过程。研究还证实了准点缺陷理论除了能系统描述非晶合金的主弛豫动态力学行为,还能在获得能表征其原子动性的物理参数(关联参数χ和驱动能U_β)的基础上,进一步描述大块非晶合金在过冷液相区的均匀塑性流变行为。 6)Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金在过冷液相区准静态压缩形变时,在稳态牛顿流变后,呈现出应变硬化现象。研究结果证实了合金的应变硬化是由于过冷液相相分离和随后的纳米晶化造成的,但主要归功于前者。另一方面,实验数据分析表明Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金过冷液相的稳态牛顿流变对合金的相分离和初始纳米晶化动力学的影响是非常有限的。 7)在纳米压入过程中,Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)大块非晶合金的非均匀流变行为不仅依赖于加载速率,还会受到结构演化,如结构弛豫或相分离及随后纳米晶化的影响。研究发现原始态和结构弛豫态Zr基大块非晶合金的硬度与压痕深度的关系相似,都符合应变梯度硬化团簇模型的定量描述,这证实了它们具有相似的非均匀流变机制。而Zr基大块非晶合金在经历相分离及少量初始纳米晶化或形核后,具有与原始态和弛豫态合金样品不同的非均匀结构,其非晶基体由成分、中短程序结构和热稳定性不同的两个非晶相组成。与此同时,其硬度与压痕深度的关系不再符合团簇模型的描述,这表明相分离显著改变了非晶合金的非均匀流变机制。在一定的压痕深度处,硬度的反常增大可能与应变诱导相变有关。


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