论文部分内容阅读
块体非晶合金具有一系列的优异性能,如屈服强度高、弹性应变极限大以及良好的耐腐蚀性能和优异的软硬磁学性能,成为当今材料界的研究热点之一。本文采用液态置氢的方法将氢加入到锆基块体非晶合金中,所谓液态置氢,指的是在氢/氩混合气氛下熔炼合金,使氢扩散到合金熔体中的一种新的置氢方法。研究了液态置氢对非晶合金熔体的净化作用,对非晶合金玻璃形成能力和力学性能的影响规律以及作用机制。首先研究了液态置氢对去除Zr55Cu30Ni5Al10合金中杂质元素氧的作用,发现液态置氢对非晶合金具有明显的脱氧作用。随着氢氩混合气氛中氢含量和熔炼时间的增加,合金中的氧含量逐渐降低。当氢氩混合气氛中氢含量为15%,熔炼时间为400s时,具有最佳的脱氧作用,随后凝固得到的合金呈完全的非晶态结构。根据吉布斯自由能的变化情况,可知在高温区时,氢与氧反应的吉布斯自由能较锆与氧反应的吉布斯自由能更低,因此氢与氧更容易发生反应,从而避免了锆与氧反应形成的氧化锆或者锆/氧团簇作为异质形核核心对非晶合金形成能力的有害作用。对Zr55Cu30Ni5Al10合金进行液态置氢,发现随着氢氩混合气氛中氢含量的增加,钮扣锭中含有的晶体相CuZr3和AlZr2的数量逐渐减少,当氢含量达到10%时,钮扣锭中的晶体相会完全消失,结构呈现出完全的非晶态特征。采用楔形试样对比研究了液态置氢前后Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力,发现随着氢氩混合气氛中氢含量的增加,Zr55Cu30Ni5Al10合金的临界尺寸逐渐增加,当氢含量增加到10%时,其临界尺寸达到最大值。对液态置氢后的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的脆性参数和临界冷却速度的研究表明,置氢的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金相对于其未置氢时具有更小的脆性参数和临界冷却速度。此外,还对比了置氢前后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的吉布斯自由能差的变化,发现置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金具有更低的吉布斯自由能差,从动力学与热力学的角度解释了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金具有更大玻璃形成能力的原因。根据正电子湮没寿命(PALS)研究结果,并结合硬球无规密堆模型中的Bernal孔洞结构,研究了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的结构变化。研究表明Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金中存在三种湮没寿命成分,说明合金中存在三种不同尺寸的结构缺陷,对应的非晶结构分别为密堆垛结构中的间隙位置、流动缺陷位置与亚纳米孔洞。密堆垛结构中间隙缺陷浓度的增加,说明置氢后扩大了非晶合金中有效的堆垛区域,从而形成更加有效的致密堆垛,从结构的角度解释了Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力提高的原因。研究了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10与Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5两种块体非晶合金的室温力学性能,发现室温压缩塑性不但没有降低,反而有很大程度的提高。氢致塑性的增加归因于氢在非晶合金中形成了一些应力集中区,这些区域导致了剪切带的增殖与稳定化,从而起到弱化高度局域化的剪切变形,使非晶合金具有更大的塑性应变。