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半固态处理对锆基非晶合金的组织和力学性能的影响

作　者: 李娜
导　师: 寇生中
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料学
关键词: 锆基大块非晶合金半固态处理力学性能吸铸电压玻璃形成能力
分类号: TG139.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

大多数的块体非晶(简称BMG)的拉伸塑性和断裂韧性很低,高度局域化的剪切行为使得单一的BMG通常是在没有明显室温塑性变形的情况下,以突然失效的方式发生灾难性断裂,严重制约着BMG作为先进结构材料在工程中的应用。因此,如何提高BMG的室温塑性和断裂韧性是BMG研究与开发中的一个关键科学问题。由于目前Zr基大块非晶的应用比较广泛,但是由于受塑性的制约,而使得该体系的大块非晶合金的应用受到限制。因此本文选用Zr-Cu-Al-Ni体系,通过添加合金元素和一定的半固态处理来改善该体系合金的强度和塑性。本文通过对以Zr65Cu17.5A17.5Ni10为基体的非晶合金中分别添加Fe和Ti微量元素；采用铜模吸铸法在不同电压下制备出直径3m块体非晶合金,进行半固态处理。利用X射线衍射XRD,光学显微镜0M,扫描电子显微镜SEM和微机控制电子式万能试验机等技术手段研究了不同吸铸电压对Zr63Cu17.5Al7.5Ni10Fe2和Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5大块非晶合金的微观结构、玻璃形成能力、力学压缩性能以及断口形貌的影响。XRD与压缩实验结果表明对于成分为Zr63Cu17.5Al7.5Ni10Fe2的体系而言,半固态处理后(5KV吸铸时)非晶基体中析出了晶体相,形成了大块非晶基复合材料,提高了合金的塑性。该复合材料是由微米级的树枝晶弥散分布在非晶基体上组成的,但是随着电压的增大,即有半固态到固态的转变过程中,析出的晶体相减少,塑性也降低。对于该体系而言5KV合金的强度和塑性是最好的。其强度高达1651.352MPa,塑性应变为2.93%。对于成分为Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5的体系而言,半固态处理后(7KV吸铸时)合金的塑性较好,为晶体和非晶的复合材料。但是强度并不是该体系最高的,强度仅为1487.411 MPa,塑性为该体系中的最高值为1.94%。DSC实验结果表明对于Zr63Cu17.5Al7.5Ni10Fe2和Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5体系而言,随着吸铸电压的增大,由半固态到液态的过渡过程中,合金的非晶形成能力基本呈增强的趋势。这也说明在该过程中,析出的晶体越来越少,而非晶成分增多。另外,热分析结果还表明结晶相的体积分数随电压的增大而降低。断口形貌分析表明晶相的体积分数对非晶复合材料的力学性能起着至关重要的作用,相对于完全非晶合金(8KV)的Zr63Cu17.5Al7.5Ni10Fe2和Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5而言,大块非晶基复合材料(5KV)Zr63Cu17.5Al7.5Ni10Fe2和(7KV)Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5中枝晶相的存在阻止了单一剪切带的扩展,诱发了更多剪切带的形成而使得材料的塑性变形能力有了较大的提高。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第1章绪论  11-25
  1.1 块状非晶合金的研究现状  11-14
    1.1.1 非晶合金  11-12
    1.1.2 大块非晶合金的国外发展历史和现状  12-13
    1.1.3 Zr基非晶合金的国内外发展现状  13-14
  1.2 大块非晶合金的结构、性能及应用  14-16
    1.2.1 大块非晶合金的结构  14-15
    1.2.2 大块非晶合金的性能和应用  15-16
  1.3 锆基大块非晶存在的问题及解决的路线  16-18
    1.3.1 目前锆基大块非晶存在的问题  16-17
    1.3.2 解决的方法及技术路线  17-18
  1.4 复合材料的制备方法  18-20
    1.4.1 外生法制备非晶复合材料  18-19
    1.4.2 内生法制备非晶复合材料  19-20
      1.4.2.1 原位生成准晶或纳米晶(非晶晶化法)  19
      1.4.2.2 原位生成韧性晶体相  19-20
      1.4.2.3 原位生成异质非晶相  20
  1.5 半固态处理方法制备塑性相增韧的金属玻璃基复合材料  20-24
    1.5.1 半固态处理技术简介  20
    1.5.2 半固态的制备方法  20-21
    1.5.3 半固态半固态处理方法制备塑性相增韧的金属玻璃基复合材料的原理及其特点  21-22
    1.5.4 半固态工艺及其产品的优势  22-23
    1.5.5 应用前景  23-24
  1.6 课题研究的意义  24-25
第2章实验材料与实验方法  25-31
  2.1 引言  25
  2.2 实验材料及实验工艺流程  25-26
  2.3 试样制备  26-30
    2.3.1 合金成分的配制  26
    2.3.2 合金锭的制备  26-28
    2.3.3 非晶合金试样的制备  28-30
      2.3.3.1 冷坩埚悬浮熔炼设备简介  28-30
  2.4 实验方案  30
  2.5 本章小结  30-31
第3章半固态处理对Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2锆基非晶合金的非晶形成能力和力学性能的影响  31-42
  3.1 引言  31
  3.2 Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2非晶的制备及其实验方法  31-32
  3.3 Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2合金结构微观组织实验结果及讨论  32-41
    3.3.1 半固态处理对Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2合金非晶形成能力影响的结果分析  33-35
    3.3.2 半固态处理对Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2合金热力学稳定性能的影响的结果分析  35-37
    3.3.3 半固态处理对Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2合金力学性能的影响  37-38
    3.3.4 半固态处理对Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2合金断口形貌影响的结果分析  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5锆基非晶合金的非晶形成能力和力学性能的影响  42-51
  4.1 引言  42
  4.2 Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5非晶的制备及其实验方法  42-44
  4.3 合金结构微观组织实验结果及讨论  44-50
    4.3.1 半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5合金非晶形成能力影响的结果分析  45-46
    4.3.2 半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5合金非晶热力学稳定性能的影响  46-47
    4.3.3 半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5合金非晶力学性能的影响  47-49
    4.3.4 半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5非晶合金断口形貌的影响  49-50
  4.4 实验小结  50-51
第5章 Zr_(63)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Fe_2非晶吸铸电压为5KV和Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5非晶吸铸电压为7KV试样的各性能比较  51-58
  5.1 引言  51
  5.2 实验方法  51-52
  5.3 合金结构微观组织实验结果及讨论  52-57
    5.3.1 两种合金成分非晶形成能力的对比  52-53
    5.3.2 对合金试样进行力学性能分析  53-55
    5.3.3 对压缩所得断口形貌的分析  55-57
  5.4 本章小结  57-58
第6章半固态处理对Zr-Cu-Fe三元合金体系组织的影响  58-65
  6.1 引言  58
  6.2 实验材料及方法  58-61
  6.3 实验结果及分析  61-64
    6.3.1 半固态处理对Zr_(72)Cu_(14)Fe_(14)合金组织的影响  61-62
    6.3.2 半固态处理对Zr_(86.2)Cu_(6.8)Fe_7合金组织的影响  62-64
  6.4 小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-71
致谢  71-72
附录A (攻读硕士其间发表的学术论文)  72

半固态处理对锆基非晶合金的组织和力学性能的影响

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