壓縮塑性變形對Zr基塊體金屬玻璃結構和性能的影響.pdf

1、塊體金屬玻璃，由于具有獨特性能，如高強度、高彈性極限、優(yōu)異的軟磁性能以及良好的耐腐蝕性，近年來吸引了人們廣泛關注。室溫下，金屬玻璃發(fā)生非均勻塑性變形，即變形高度局域化于剪切帶。然而，由于剪切帶具有應變軟化的本質(zhì)，金屬玻璃在變形時，剪切變形通常集中在某個或幾個主剪切帶上，直至發(fā)生斷裂，因此金屬玻璃宏觀延展性很低。金屬玻璃的室溫脆性極大地限制了其作為結構材料的應用。此外，非均勻塑性變形對金屬玻璃結構與性能有很大影響。相對未變形的非晶基體，剪

2、切帶上有更多的自由體積。伴隨剪切帶引入，增加的自由體積會導致金屬玻璃的軟化，而剪切帶相互作用卻會導致金屬玻璃的硬化。然而，自由體積及剪切帶相互作用這兩種競爭因素如何共同影響金屬玻璃力學性能尚不清楚。因此，研究金屬玻璃塑性變形中剪切帶和自由體積的演化，對理解金屬玻璃的非均勻塑性變形機理、克服金屬玻璃的脆性、探究變形后金屬玻璃結構和性能的關聯(lián)具有重要意義。其次，減小剪切帶間距是克服金屬玻璃脆性難題的重要途徑。因此，引入分布均勻、間距細小的剪

3、切帶，對于解決該難題有重要價值。最后，探索具有良好綜合性能的合金成分，可拓寬金屬玻璃在各領域的應用。元素添加是開發(fā)具有良好綜合性能的金屬玻璃體系的有效手段。因此，深入研究元素添加對金屬玻璃結構、玻璃形成能力和性能的影響具有重要意義?；谝陨线@些問題，本論文開展了以下三部分工作：
　　(1)研究了Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃壓縮塑性變形中剪切帶、自由體積的演化。分析研究了自由體積和剪切帶共同作用對金

4、屬玻璃硬度的影響。使用X射線衍射(XRD)及透射電子顯微術(TEM)對樣品結構進行表征分析。通過掃描電子顯微術(SEM)及統(tǒng)計方法定量研究了塑性變形中剪切帶密度、剪切帶間距及其分布、剪切帶相互作用的演化。使用差示掃描量熱法(DSC)對Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃中自由體積的絕對含量實現(xiàn)定量確定。研究表明，Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃的硬度隨應變的變化展現(xiàn)出先下降后增加的

5、變化趨勢。當應變從6％增加至83%時，剪切帶密度從0.04μm-1增加至0.92μm-1，平均剪切帶間距從25.4μm減小至1.1μm，剪切帶間距的分布寬度逐漸縮小。剪切帶交割點數(shù)目隨應變的增加而增加。當應變大于47%時，大量的細微剪切帶形成，剪切帶交割點數(shù)目隨應變增加而快速增加。室溫下樣品中自由體積絕對含量隨應變增加而單調(diào)增加。自由體積導致的軟化和剪切帶相互作用導致的硬化共同影響Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金

6、屬玻璃的硬度變化。應變0%至47%范圍內(nèi)，硬度下降的原因是增加的自由體積導致的軟化。應變47%至83%范圍內(nèi)，剪切帶相互作用導致的硬化除抵消自由體積導致的軟化外，還導致硬度隨應變增加而增加。反復壓縮循環(huán)試驗結果表明，隨剪切帶相互作用增大。Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃呈現(xiàn)出明顯的幾何硬化行為。
　　(2)采用壓縮塑性變形，在含弧形邊沿的韌性Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10金屬玻璃中

7、引入了分布廣、間距細小的高密度剪切帶。所引入剪切帶的平均間距為520 nm左右。部分區(qū)域內(nèi)剪切帶間距降至110 nm左右。此外，采用壓縮塑性變形，在含弧形邊沿的脆性Cu60Zr30Ti10金屬玻璃中也引入了高密度剪切帶。
　　(3)系統(tǒng)研究了Ti添加對Zr64.13Cu15.75Ni10.12Al10塊體金屬玻璃的結構、玻璃形成能力、晶化方式及性能的影響。本工作采用水冷 Cu模吸鑄法制備(Zr64.13Cu15.75Ni10.12

8、Al10)100-xTix(x=0-7)塊體金屬玻璃。XRD結果表明，在Ti含量為x=0-7范圍內(nèi)，合金結構均為非晶態(tài)。Ti添加提高了約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度。綜合分析約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度及XRD結果得出，Ti添加提高了Zr-Cu-Ni-Al體系的玻璃形成能力。相比于Ti含量為x=0和1的樣品，當Ti含量x≥2時，合金的晶化行為表現(xiàn)為兩步晶化，且第一步晶化的產(chǎn)物為二十面體準晶，表明合金的非晶基體中存在大量強二十面體短程序。當Ti含量x≤6時，(Zr