Cu-Ti基块体非晶合金玻璃形成能力、合金化效应及性能研究

【摘要】： 本文采用熔炼—吸铸法制备了Cu47Ti34Zr11Ni8系列块体非晶合金，采用多种实验手段及相关理论着重研究了合金的玻璃形成能力、合金元素对玻璃形成能力与热稳定性的影响、力学性能、摩擦学性能等，主要内容包括： 1．采用熔炼—吸铸法制备了Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金样品，研究了其玻璃形成能力、自由能表达式，采用热膨胀法研究了合金的原子作用势，发现该合金的费米面稍稍溢过伪布里渊区，满足Hume-Rothery规律；在深过冷区间，Thompson-Spaepen公式与Lad2公式可以较好描述过冷液相与晶体相的自由能差；块体非晶合金的结构弛豫温度Tr与原子间作用势u_0成正比，而玻璃转变温度Tg与u_0的关系与玻璃转变的物理本质有关； 2．制备了(Cu47Ti34Zr11Ni8)(100-x)Mx合金样品(M=Al，Be，Si，Nb，Fe，Co；x=1，2，4)，研究了合金元素的影响规律，发现采用熔炼—吸铸法可以制备0.5mm厚的板状(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M(M=Al，Be，Si，Nb，Fe，Co)块体非晶合金样品，Si的加入使合金的ΔTx、Trg、γ和K_H提高，玻璃形成能力增强；Al、Be、Co、Fe、Nb的加入使合金的ΔTx、Trg、γ和K_H下降，玻璃形成能力下降；(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M块体非晶合金的玻璃形成能力与非晶形成焓成反比，而晶化激活能与原子尺寸参量δ成正比； 3．测定了Cu47Ti34Zr11Ni8系列块体非晶合金的弯曲与压缩性能，分析了断口与微观组织。Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金具有良好的力学性能，其弯曲强度与压缩强度分别为2 350MPa和1731MPa，断口为典型的脉络状花样，淬火态微米级晶体的出现使合金的强度下降；Si或Al加入合金后形成了非晶／纳米晶结构，使力学性能提高，弯曲强度从2 350MPa分别提高至3 260MPa和2 970MPa，压缩强度从1731MPa分别提高至1894MPa和1862MPa；Nb加入合金后在非晶基体中也形成了少量纳米级晶体相，但这些纳米晶体相聚集生长，使合金的压缩强度下降为1608MPa； 4．测定了铜基与锆基块体非晶合金的摩擦学性能，采用闪温解释了非晶合金的磨损机制。在实验条件下，块体非晶合金—SUS304不锈钢摩擦配副的磨损量大于非晶合金——Si_3N_4陶瓷摩擦配副；载荷增大使稳态摩擦系数与磨损速率都增加；在干摩擦、生理盐水、血浆润滑、蒸馏水润滑四种实验条件下，铜基块体非晶合金的耐磨性均优于锆基块体非晶合金：块体非晶合金摩擦磨损失效的重要特征是磨粒磨损、粘性流动与物质转移；非晶合金的硬度、导热能力、玻璃转变温度和晶化温度决定了耐磨性能的差异，而不同条件下耐磨性能的差异则取决于润滑剂传输摩擦热、降低局域温度的能力。