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Cu基块体金属玻璃的组织、热稳定性和力学性能研究

赵燕春  
【摘要】:CuZr基块体金属玻璃在很宽的成分范围内有较强的玻璃形成能力,特别是Cu-Zr-Al体系,具有良好的综合性能,包括高热稳定性、优良的力学性能,且低成本。本文采用悬浮熔炼-水冷铜模吸铸方法制备了具有较高热稳定性的Cu_(50)Zr_(42)Al_8三元BMG,研究了凝固中的不同冷却速度对微观组织的影响,其非晶的临界尺寸为Ф4.8mm。微观组织的变化表现出不同的力学行为。Ф4mm全非晶结构铸态试样的σcf达到2260MPa,弹性应变和塑性应变分别为2.0%和0.4%。而Ф5mm原位自生非晶/晶体复合棒的屈服强度、断裂强度和杨氏模量分别为1670MPa、1849MPa和104.4GPa,塑性应变为1.9%,其最终断裂方式取决于增强增韧的CuZr马氏体相和脆性相力学行为的竞争。研究了Cu_(50)Zr_(42)Al_8 BMG的变温晶化行为,运用Kissinger法和FWO法分别计算出各特征激活能和阶段激活能,考察了不同加热速度下晶化体积分数和晶化温度、晶化激活能的关系。退火态非晶试样受不同冷却介质的影响,其有效退火时间不同。本文考察了Ф5mm铸态Cu_(50)Zr_(42)Al_8试样在过冷液相区内退火,分别采用炉冷和液氮两种方式冷却后的晶化和力学行为。 Zr-Cu体系中具有最好玻璃形成能力的四元BMG Cu_(36)Zr_(48)Al_8 ,由于其熔体脆性参数小,具有高的断裂强度以及一定的塑性。由合金的熔化曲线,分析Cu_(36)Zr_(48)Al_8合金熔化时发生四元共晶转变,其过冷熔体具有良好的热稳定性。分析了铜模吸铸前反复熔炼对母合金的微观组织的影响,并在相同的冷却速率下,通过改变铸造条件,考察熔体过热度和保温时间对BMG热稳定性和力学性能的影响,以确定出最佳的铸造环境,并研究了弛豫退火对不同制备态的BMG力学性能的影响。结果表明,高的熔体过热水平制备非晶合金的比热容大,热稳定性高。过热度越小,压缩塑性越小;抗压强度和维氏硬度随着过热度的减小先增加而后下降。残余应力在高过热度下起主要作用,导致抗压强度、维氏硬度和压缩塑性同时下降;低过热度下自由体积影响较大,抗压强度和维氏硬度降低,塑性增加。金属玻璃的力学行为在一定程度上可由熔体过热水平控制。而在同样的铸造温度下,随着过热保温时间的延长,合金的热稳定性降低,且由于优先形成的Zr2Cu+AlCu2Zr共晶相为脆性相,随着原子排列的有序化甚至晶化,其力学性能下降。将不同制备态的BMG分别进行低温和高温弛豫退火,试样的力学行为发生显著改变,文中对其变化机制进行了分析。 选择Cu_(36)Zr_(48)Al_8 BMG作为基体合金,研究了Fe元素合金化对其热稳定性和力学行为的影响,并讨论其作用机理。Fe原子半径较小,提高了体系的混乱度,但与Ag和Cu的原子对混合热为正值。由相图液态Fe与Cu的溶混间隙小,和Ag几乎完全不混溶,快速冷却导致液固界面推进速度增大,原子的长程扩散被抑制,Ag“选择性溶解”于Cu中,从而形成了富Cu、Ag相和富Fe相的分离,并通过XRD和TEM测试得到证实。其中富Fe相为硬相,结构的原子结合力较大、结构密堆性高,而富Cu、Ag相为软相,相分离程度主要受Fe/Cu,Fe/Ag的原子比的控制。结果表明,随着Fe的添加,非晶合金的热稳定性降低,ΔT_x和T_(rg)减小。Fe含量为3at.%时,DSC曲线只存在一个尖锐的吸热峰,熔化过程中可能只发生一级相变,其成份靠近共晶点,其ΔTx为103,Trg和γ分别为0.566和0.424,具有较高的热稳定性和玻璃形成能力,且受具有不同的模量和临界剪切应力的相分离两相对剪切带的影响,力学性能较基体提高。Fe含量为5at.%时,相分离程度增加且有纳米晶析出,对基体弥散强化,合金的强度和塑性分别提高至2249MPa和4.9%。随着Fe含量增加,试样逐渐晶化并先后析出了脆性相Cu10Zr_7和FeZr_3,力学性能下降,合金的脆化敏感性增大。文中采用维氏硬度计考察了Fe的掺杂对合金各相的相对硬度、塑性和压痕形貌的影响规律。显微硬度在压头压入时由于多轴应力的束缚,能够依据各组成相上压痕边缘出现滑移线或裂纹的情况来评定各相之间的相对塑性,本文对各试样组织结构与非晶相和晶体析出相的关系也进行了分析。


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