论文部分内容阅读
块体非晶合金具有高的强度、硬度、优异的耐磨性，因而吸引了广大材料工作者对其进行了大量的理论和应用研究。在各种块体非晶合金中，镁基块体非晶合金的玻璃形成能力强、比强度高且价格优廉，被认为是很有发展前景的结构材料。然而，与晶态合金相比，无论是基础理论，还是宏观性能和应用方面，都还存在很多问题有待解决。目前，镁基块体非晶合金的形成和力学性能的研究还很不系统，尤其在变形、断裂及微观机制等方面的研究仍存在很多的争议，因而需要进一步深入研究。本文以镁基块体非晶合金为研究对象，采用X射线衍射仪（XRD）、差示扫描量热仪（DSC）、光学显微镜（OM）以及带能谱分析（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）等分析手段，通过对合金压缩性能和磨损性能的测试，研究了Al对Mg-Cu-Gd块体非晶合金玻璃形成能力、室温压缩性能及磨损性能的影响，同时采用压痕法对合金的微区力学性能和变形行为进行了测试和分析，并利用该合金系研究块体非晶合金的变形、断裂及磨损机理。研究表明：Mg65Cu25Gd10合金具有较强的玻璃形成能力，利用铜模喷铸法可制备出直径8mm的完全非晶样品；用适量的Al代替合金中Cu能保持合金良好的玻璃形成能力，含3％Al时可制备出最小6mm的完全非晶合金棒；但Al含量增加到5％时，合金的GFA急剧下降，只能得到2mm的完全非晶合金棒。在Mg65Cu25-xAlxGd10（x=0，1，3和5at．％）合金中，随着Al含量的增加，合金的玻璃转变温度提高而晶化温度逐渐降低，导致合金的过冷液相区减小，合金的GFA也相应下降。另外，Rc、Trg、K、γ及ΔT*等参数值也能在一定程度上反映Mg-Cu-Gd（-Al）合金的GFA变化。在Mg-Cu-Gd合金中加入Al后，破坏了合金过冷液体的稳定，促进了竞争晶体AlCuGd三元相和其它晶体相的析出，从而导致合金的玻璃形成能力下降。加入5％Al后，合金的成分显著偏离共晶成分点，因而玻璃形成能力急剧降低。利用Instron拉伸试验机研究Mg65Cu25-xAlxGd10（x=0，1，3和5 at．％）块体非晶合金室温压缩性能，结果表明：块体非晶合金随Al含量的增加，其抗压强度逐渐提高，用3％的Al置换合金中的Cu在有效提高强度的同时，显著改善了非晶合金的塑性，合金的断裂强度和塑性应变分别达到898MPa和0.2％。断口分析表明，Mg65Cu25Gd10块体非晶合金的断口上只有少量的剪切带扩展，而Mg65Cu22Al3Gd10块体非晶合金在应力作用下通过自由体积的聚集和合并形成大量的剪切带，这些剪切带相互交割和分枝，从而显著提高了塑性。加Al抑制了裂纹的产生与扩展也是塑性提高的重要原因。研究还发现，Mg65Cu25Gd10和Mg65Cu24Al1Gd10块体非晶合金的断裂方式为典型的脆性断裂，但其断口上存在纳米尺度的“韧窝”结构，从而说明块体非晶合金的脆性断裂具有微观的韧性机制。显微硬度试验结果表明：加载5s时，Mg-Cu-Gd（-Al）块体非晶合金的显微硬度值波动较大，加载时间达到10s后硬度值趋于稳定。说明块体非晶合金达到稳定的弹、塑性变形需要一定的时间。Mg基非晶合金的Tg较低，压头压入后可能会发生蠕变，但在本试验条件下并不明显。载荷小于200g时，Mg-Cu-Gd（-Al）块体非晶合金的显微硬度值较高，载荷达到200g以后，显微硬度值趋于稳定，可能的原因是载荷较小时，没有超过剪切带开动抗力，限制了大量剪切带的形成和扩展，显微硬度较高。因而选用载荷500g下保压15s作为显微硬度测试的标准参数。随着Al含量的增加，Mg-Cu-Gd（-Al）块体非晶合金的显微硬度逐渐增加，不含Al时合金的硬度为242HV，当含5％Al时合金的硬度值达到最大271HV。分析其原因是Al与合金各组元之间的相互作用力较强，导致块体非晶合金的表面压入抗力显著提高。显微压痕法是近年来出现的一种测试材料微区力学性能和变形行为的新方法，本文利用显微压痕法、扫描电镜等研究了镁基块体非晶合金的微区变形行为。当载荷较小时，在上部表面压痕的一条棱线边缘出现了半圆弧状滑移台阶，这是由于变形时剪切带扩展到表面而形成的，当载荷达到1000g时，Mg65Cu22Al3Gd10块体非晶合金三条棱线边缘都出现了这种滑移台阶。不同载荷下，块体非晶合金界面变形区内剪切带扩展类型以半圆弧状一次剪切带为主，同时存在与之相切或呈45°的放射状二次剪切带。与Mg65Cu25Gd10块体非晶合金相比，Mg65Cu22Al3Gd10块体非晶合金在较大载荷下（1000g）还出现了与上表面垂直的三次剪切带，说明该块体非晶合金具有更好的塑性变形能力。块体非晶合金变形区尺寸（δ和h）与加载载荷呈线性比例关系，但其与总的变形区尺寸的比值（δ/D和h/H）不随载荷的变化而变化。块体非晶合金在压痕周围的塑性变形是通过局域化剪切带的产生与扩展来进行的，各种类型的剪切带中以一次剪切带为主，只有在较高载荷下才会出现二次和三次剪切带。因此认为半圆弧状一次剪切带是Mg-Cu-Gd（-Al）块体非晶合金在压头下端微区内进行塑性非均匀变形的主要机制。磨损试验表明：Mg65Cu25-xAlxGd10（x=0，1，3和5 at．％）块体非晶合金试样的磨损失重量均与行程及载荷成线性关系。随着Al含量的增加，其耐磨性呈现先增加后降低的趋势，其中含3％Al时块体非晶合金的耐磨性最好。Mg65Cu25Gd10块体非晶合金主要为微观切削和压碎的磨损机理，随着Al含量从1％增加到3％，块体非晶合金的磨损机制逐渐过渡为微观切削和多次塑性变形导致断裂的综合磨损机理。当Al含量进一步增加大到5％，其磨损机制主要为微观切削和剥落所产生的磨损机理。Mg65Cu25-xAlxGd10（x=0，1，3和5 at．％）块体非晶合金的磨损率与其显微硬度成反比，但并不完全符合晶体材料的磨料磨损简化模型，镁基非晶合金的磨损模型的建立需要在原有模型中加入与材料塑性相关联的修正参数。