銅基大塊非晶合金的玻璃形成能力及力學(xué)行為研究.pdf

1、本文以銅基（Cu-Ti-Zr-Ni）大塊非晶合金作為研究對(duì)象，以獲得良好玻璃形成能力與優(yōu)良力學(xué)性能為目的，重點(diǎn)對(duì)其成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化、壓縮斷裂力學(xué)行為、晶化動(dòng)力學(xué)與晶化機(jī)制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　采用二元深共晶比例法設(shè)計(jì)了系列Cu-Ti-Zr-Ni塊體非晶合金，實(shí)驗(yàn)證實(shí)玻璃形成能力與Trg能夠較好對(duì)應(yīng)，而與ΔTx的相關(guān)性較差。其中，Cu52.5Ti30Zr11.5Ni6（CuT7）與Cu53.1Ti31.4Zr9.5Ni6（CuT

2、8）非晶合金，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg與過冷液相區(qū)寬度ΔTx分別為0.603、52K與0.598、45K，利用銅模吸鑄法臨界直徑均可達(dá)到5mm。非晶合金CuT7的臨界冷卻速率與脆性參數(shù)分別測算為126.8K/s與40.8。當(dāng)冷卻速率低于臨界冷速時(shí)，CuT7合金熔體凝固結(jié)晶成層片狀共晶組織，共晶相主要包括Cu3Ti、CuTi2、Cu10Zr7、CuZr、Cu2Ti等。
　　非晶合金Cu52.5-xTi30Zr11.5Ni6Alx與Cu

3、53.1-xTi31.4Zr9.5Ni6Alx（x=0.5,1,1.5,2,2.5）的玻璃形成能力優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，Al的加入導(dǎo)致液相線溫度Tl降低，當(dāng)x=2時(shí)，Tl值最低，Trg值最高。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，非晶合金Cu50.5Ti30Zr11.5Ni6Al2的臨界直徑可以達(dá)到6mm。由于Al與Zr、Ti、Ni等主要組元具有大的負(fù)混合焓，原子間親和力增強(qiáng)，利于形成更加致密的無規(guī)密堆積結(jié)構(gòu)；另一方面，Al可與Zr、Ti可以形成多種金屬間相，增加了體系

4、中化合物的種類，晶體相的結(jié)晶競爭趨勢增強(qiáng)。
　　非晶合金Cu52.5-xTi30Zr11.5Ni6Six與Cu53.1-xTi31.4Zr9.5Ni6Six（x=0.5,1,1.5）的玻璃形成能力優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，盡管Si的添加使ΔTx與Trg相對(duì)于基體合金都有不同程度的升高，但玻璃形成能力卻沒有明顯改善，特別是當(dāng)x≥1.5時(shí)，玻璃形成能力開始明顯下降。玻璃形成能力與Trg對(duì)應(yīng)出現(xiàn)反常的原因，可能是Si與體系中Zr、Ti等組元的親和

5、力過強(qiáng)，熔體中形成高熔點(diǎn)硅化物并領(lǐng)先析出，為其它相的形核與長大提供便利條件，從而降低了非晶形成能力。
　　Cu-Ti-Zr-Ni塊體非晶合金具有高的壓縮斷裂強(qiáng)度（σc,f）與斷裂伸長率（εc,f），CuT7非晶合金的σc,f與εc,f分別為2212MP與2.1％。壓縮斷裂角略偏離最大剪切應(yīng)力面，與正應(yīng)力軸線大致呈42～43°角，表明壓縮斷裂行為遵循與正應(yīng)力分量相關(guān)的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。斷口表面具有放射形、半月形、條帶形脈

6、狀網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)于斷面的不同區(qū)域，表明裂紋擴(kuò)展時(shí)方向發(fā)生改變，這可以緩解局域應(yīng)力高度集中的程度，防止非晶合金在較低的應(yīng)力水平下發(fā)生脆性斷裂。斷口表面的局部區(qū)域存在明顯的熔化與再結(jié)晶特征，這與納米增強(qiáng)非晶復(fù)合材料的斷口非常相似。實(shí)驗(yàn)表明，壓縮過程中應(yīng)變能確實(shí)可以誘導(dǎo)納米相原位析出，生成的納米相可以通過形成多重剪切帶、阻斷裂紋擴(kuò)展以及使裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏折等多種效應(yīng)增強(qiáng)非晶基體。
　　在Cu-Ti-Zr-Ni塊體非晶合金的顯微硬度測試樣品

7、中，SEM觀察到壓頭周邊區(qū)域出現(xiàn)由剪切帶層層累積而形成的半圓形痕跡。納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，位移與載荷關(guān)系曲線中出現(xiàn)許多小的平臺(tái)，即應(yīng)力保持相對(duì)不變，而應(yīng)變發(fā)生突然躍遷的現(xiàn)象。這是由于應(yīng)力達(dá)到非晶合金的屈服極限時(shí)，瞬間激發(fā)一個(gè)或多個(gè)剪切帶而形成應(yīng)變突變。兩者從微觀層面印證了非晶合金以剪切帶方式發(fā)生變形的彈塑性機(jī)制。
　　大塊非晶合金Cu52.5Ti30Zr11.5Ni6的等溫晶化實(shí)驗(yàn)中，Avrami指數(shù)n在2.42～2.64間變動(dòng)，其平均