块体非晶合金成分优化及其力学性能的探究

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金属非晶合金由于其独特的无序结构而表现出优异的机械性能、物理化学性能等。然而,非晶合金的玻璃形成能力较小且缺乏室温塑性,这严重限制了非晶合金作为结构材料的使用。因此,如何开发具有较强玻璃形成能力和良好室温塑性的非晶合金成分变得至关重要。  首先,针对如何预测非晶合金的玻璃形成能力问题,采用熵变和焓变原理、经典的Inoue三原则对块体非晶合金的形成范围进行了进一步的优化,结果表明:对于给定的三元非晶合金体系(基体元素:原子半径≥0.158nm,50%≤原子百分数≤70%;溶质元素:溶质元素原子半径差异≥11%,溶质原子之间以及溶质原子与溶剂原子之间互不存在正混合焓),当合金成分位于其熵变-焓变曲线拐点或者拐点附近的时候,更倾向于形成块体非晶合金;当其合金成分远离拐点成分时,其玻璃形成能力减弱。为了快速开发具有良好玻璃形成能力的合金成分,通过统计学的方法得出了这些体系拐点成分的经验公式:Di=AxB53(+)1-0.5xC47±1-0.5x其中Di表示熵变焓变曲线拐点的合金成分,x(i.e.50at.%≤x≤70at.%),53(+)1-0.5x,和47±1-0.5x分别为溶剂原子A和溶质原子B,C的原子百分数。同时,给出了具有良好玻璃形成能力合金成分的范围,即上限:AxB55.5(+)1-0.5xC44.5±1-0.5x下限:AxB50.5(+)1-0.5xC49.5±1-0.5x。此外,通过统计上述“拐点”原则,对于经典的Inoue经验原则进行了细化,认为符合上述经验公式的三元非晶合金体系必须满足以下几个条件:(1)基体元素的原子半径要大于等于0.158nm;(2)基体与溶质之间,溶质与溶质之间不存在正混合焓且原子半径的差异要大于等于11%。  其次,为了将三元体系扩展到多元体系,采用相似元素取代和类径原子取代的方式对其进行了扩展,发现对于符合规律的三元初始体系在发生相似元素取代或者类径原子取代后,其非晶合金玻璃形成能力随着熵变-焓变曲线的变化规律不变。基于上述启发,结合微合金化方法,找到了微合金化与非晶合金的形成能力之间的关联性,并提出了一种能够快速发现具有良好室温压缩塑性块体非晶合金的方法。以Zr60Al17.5Ni22.5为例,通过向合金中微量添加Cu和Nb,发现了临界形成尺寸大约5mm,室温压缩塑性约5%的非晶合金成分Zr56Cu4Nb4Al17.5Ni18.5。通过对试样断面的SEM观察,发现该合金在压缩过程中具有较高的剪切带密度,剪切带的多重萌生扩展是导致其具有良好室温压缩塑性的主要原因。同时结合微合金化和经验原则制备的Zr-Nb-Ti-Ni-Al合金体系中,Zr55Al11Nb4.5Ti4.5Ni25,Zr58Al9.5Nb3.75Ti3.75Ni25,Zr60Al8.5Nb3.25Ti3.25Ni25,Zr62Al7.5Nb2.75Ti2.75Ni25,Zr65Al6Nb2Ti2Ni25合金成分均表现出大于11%的平均室温压缩塑性,这在同一体系中的大范围成分变化中是不多见的。对于Zr65Al6Nb2Ti2Ni25非晶合金成分,其室温压缩塑性甚至能够到达30%。通过分析认为Cu-Nb,Nb-Zr,Cu-Ni,Nb-Ti,Zr-Ti等正混合焓原子对会加剧合金内部的成分不均匀现象,这些不均可能会导致纳米相分离,使合金内部更容易产生塑性流变单元,并在外力的作用下协同运动,形成宏观层面上的剪切带。剪切带的多重萌生以及交织扩展受阻,导致这些合金成分表现出优异的室温压缩塑性。  除此之外,为了进一步提高非晶合金的室温塑性,本文还探究了表面腐蚀对于块体非晶合金室温力学性能的影响(主要是Zr基非晶合金,腐蚀液为0.1mol/L的HNO3和NaOH溶液),认为:表面腐蚀可以在非晶合金的表面形成点蚀坑,点蚀坑附近会导致剪切带的多重萌生和扩展受阻,可以用来提高块体非晶合金的力学性能。同时,对于酸性腐蚀,应该尽量避免由于化学反应等出现的氢脆现象,尽管其在氢脆之后可以少量的改善非晶合金的室温力学性能。但是当合金表面产生均匀点腐蚀现象的时候,其力学性能会得到较大提升。
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