【摘 要】
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随着现代科学技术的迅猛发展,很多领域对材料的强度、硬度和塑韧性等性能提出了越来越高的要求。金属间化合物大多具有高硬、高强、高耐蚀等优异性能,且通过成分与制备工艺的调控可以得到单晶、多晶和非晶块体材料,在制备高性能新材料方面有巨大的潜力。但是,大多数金属间化合物在室温下的塑韧性都比较差,严重影响这种新材料的规模化应用,亟需深入开展相关研究。本文以生物材料和核反应堆结构材料等领域具有广泛应用前景的Zr
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随着现代科学技术的迅猛发展,很多领域对材料的强度、硬度和塑韧性等性能提出了越来越高的要求。金属间化合物大多具有高硬、高强、高耐蚀等优异性能,且通过成分与制备工艺的调控可以得到单晶、多晶和非晶块体材料,在制备高性能新材料方面有巨大的潜力。但是,大多数金属间化合物在室温下的塑韧性都比较差,严重影响这种新材料的规模化应用,亟需深入开展相关研究。本文以生物材料和核反应堆结构材料等领域具有广泛应用前景的Zr-Co基合金为研究对象,以高纯Zr、Co、Al和Fe为原料,采用快速凝固技术制备Zr-Co-（Al）和Zr-Co-Al-Fe合金。综合利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、同步辐射高能X射线衍射、超导量子干涉仪、显微硬度计、电子万能试验机、差示扫描量热仪等设备和手段系统研究了合金成分对Zr-Co基合金显微组织结构与性能的影响、Zr-Co-（Al）合金的变形行为与强韧化机理及Zr-Co-Al-Fe非晶合金的热稳定性。结果表明:成分对Zr-Co基合金的显微组织结构和性能有显著的影响。随着Al元素含量的提高,Zr50-x/2Co50-x/2Alx（x=0～10 at.%）合金由B2结构的ZrCo单相组织逐步过渡到Zr5Co7Al3金属间化合物相和非晶相弥散分布在B2相基体上的复相组织,这使得合金的硬度升高,塑韧性下降;其中Zr49Co49Al2合金的室温压缩极限强度和硬度分别达到2.26GPa和406 HV,压缩塑性超过50%,具有优异的综合力学性能。Zr56Co28-xAl16Fex（x=1,2 at.%）合金具有良好的玻璃形成能力（glass forming ability,缩写GFA）,快速凝固技术制备的该合金的块体金属玻璃（bulk metallic glass,缩写BMG）力学性能优异,室温压缩屈服强度和极限强度分别大于1.90 GPa和2.1 GPa,压缩塑性均大于11%。Zr50Co50和Zr49Co49Al2合金在室温压缩过程中具有明显的加工硬化行为,从而获得了优异的室温塑韧性和强度;随着Al元素含量的增加,Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金塑性变形阶段的加工硬化行为减弱,室温塑韧性和强度下降。Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金在液氮温度下也具有良好的综合力学性能,且强度和塑性对比室温均有所提高,快速凝固态Zr49Co49Al2合金的低温极限压缩强度比室温提高了近1 GPa,Zr45Co45Al10合金的低温塑性提高到接近室温塑性的4倍（20.89%）。综合以上研究,发现Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金的室温强化机理主要包括Al元素固溶强化、Zr5Co7Al3相和非晶相析出强化、加工硬化及形变诱导马氏体强化,且随着Al元素含量的增加,固溶强化和析出强化作用增强,马氏体强化作用减弱;合金室温变形过程没有新增独立滑移系,Zr50Co50和Zr49Co49Al2合金的优异室温塑性主要来源于压缩过程中的应变诱导B2相到B33相的马氏体相变及相变诱导塑性。Zr-Co-Al-Fe金属玻璃的热稳定性分析显示玻璃转变行为和晶化行为均与加热速率有关,加热速率的提高使Tg、Tx、Tp1、Tp2和△T热力学参数都向高温区移动,具有明显的动力学效应。少量Fe元素对Co元素的取代可以提高Zr56Co28-xAl16Fex（x=1,2）合金GFA,但同时也降低了该合金的表观激活能,促进其晶化行为的进行,从而降低了该合金抗晶化能力和热稳定性。
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