基于團(tuán)簇加連接原子模型的Zr-Ni-Al系塊體金屬玻璃成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究.pdf

1、成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究是塊體金屬玻璃研究的基礎(chǔ)問題。開發(fā)具有大玻璃形成能力和高強(qiáng)度、大塑性的塊體金屬玻璃是該領(lǐng)域的研究目標(biāo)之一。團(tuán)簇加連接原子模型作為一種成分設(shè)計(jì)思想，已被成功應(yīng)用到許多體系的塊體金屬玻璃成分設(shè)計(jì)中。該模型將金屬玻璃看作由團(tuán)簇和連接原子兩類結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，團(tuán)簇為基于特定原子的第一近鄰配位多面體，而連接原子填補(bǔ)團(tuán)簇間的間隙，相應(yīng)的，金屬玻璃的成分與結(jié)構(gòu)信息可用團(tuán)簇成分式統(tǒng)一表述成:[團(tuán)簇]（連接原子）x～1，3。本論文以該模

2、型為指導(dǎo)，系統(tǒng)研究了Zr-Ni-Al三元基礎(chǔ)非晶體系合金的玻璃形成能力和力學(xué)性能，并從團(tuán)簇加連接原子模型角度探討了該體系塊體金屬玻璃合金的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。同時(shí)，對Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多組元Zr基塊體金屬玻璃的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。論文主要內(nèi)容如下:
　　首先，基于團(tuán)簇加連接原子模型，從Zr-Ni-Al系金屬玻璃的三種常見晶化相——(-)Al2NiZr6、NiZr2(NiTi2-type)和NiZr2(Al2Cu-t

3、ype)中提取可代表各相結(jié)構(gòu)特征的三類團(tuán)簇(即CN11 Ni3Zr9、CN12 Ni4Zr9和CN10 Ni3Zr8)作為基礎(chǔ)團(tuán)簇，建立團(tuán)簇式進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，獲得三個(gè)系列合金成分:Ni3Zr9Alx、Ni4Zr9Alx和Ni3Zr8Alx，x=1、1.5、2、3，同時(shí)，類比配制Ni3Zr6Alx、Ni3Zr7Alx和Ni3Zr10Alx系列合金作為比較成分。利用不同內(nèi)徑銅模通過真空吸鑄法制備上述六系列合金的鑄態(tài)合金棒，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱分析

4、測試與表征。結(jié)果表明，除Ni3Zr6Al3成分外，其余合金金屬玻璃形成的臨界直徑都達(dá)到3mm以上。其中，Ni4Zr9Al2（即Zr60Ni26.7Al13.3，at％）玻璃形成能力最佳，其形成玻璃的臨界直徑達(dá)10mm，在同等制備條件下高于已報(bào)道的Zr60Ni25Al15最優(yōu)成分;其過冷液相寬度⊿Tx、約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg和γm值分別為68 K、0.579和0.689，也優(yōu)于Zr60Ni25Al15(⊿Tx=68 K，Trg=0.568

5、，γm=0.676)。進(jìn)一步電子濃度和團(tuán)簇式解析表明，Ni4Zr9Al2符合基于Ni3Zr9團(tuán)簇加三個(gè)連接原子的金屬玻璃通用團(tuán)簇式:[Ni3Zr9](Al2Ni)。
　　其次，3mm樣品的室溫壓縮和維氏硬度結(jié)果表明，隨Al、Ni含量的增加，Zr-Ni-Al塊體金屬玻璃的屈服強(qiáng)度σy、楊氏模量E和維氏硬度Hv增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些合金的力學(xué)性能與其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg、晶化溫度Tx、摩爾體積V以及原子密度ρa(bǔ)存在密切關(guān)聯(lián)。依據(jù)電子濃度和金

6、屬玻璃通用團(tuán)簇式判據(jù)，總體上可將本文涉及的Zr-Ni-Al塊體金屬玻璃成分分成兩種類型:一種是基于Ni3Zr9團(tuán)簇加三個(gè)連接原子團(tuán)簇式的;另一類屬于Ni3Zr8團(tuán)簇加一個(gè)連接原子的形式;結(jié)合元素間混合焓數(shù)據(jù)，可估算各合金三類鍵合的相互作用強(qiáng)度I，分別為:團(tuán)簇的中心原子與殼層原子間的鍵合Icenter-shell、相鄰團(tuán)簇殼層原子間的鍵合Ishell-shell和連接原子與殼層原子鍵合Iglue-shell。研究表明Zr-Ni-Al塊體金

7、屬玻璃的力學(xué)性能與其鍵合參數(shù)（1/Icenter-shell+1/Ishell-shell+1/Iglue-shell）呈良好的線性關(guān)聯(lián)，其中最弱的Ishell-shell是決定塊體金屬玻璃力學(xué)性能的主因。據(jù)此，本論文提出一種并聯(lián)彈簧振子模型闡釋了金屬玻璃的結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度間的關(guān)聯(lián)。
　　最后，研究了滿足Ni4Zr9團(tuán)簇加一個(gè)連接原子團(tuán)簇式的Zr基Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多元塊體金屬玻璃的力學(xué)性能。探討了合金化元素Nb對Zr6

8、5Al10Ni10Cu15塊體金屬玻璃力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究了(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3塊體金屬玻璃在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的熱學(xué)與力學(xué)性能。結(jié)果表明，Nb的加入可有效提高合金屈服強(qiáng)度并影響變形能力，其中含2at.％ Nb的塊體金屬玻璃室溫變形能力最高，其壓縮時(shí)的塑性變形達(dá)12.7％。(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3塊體金屬玻璃經(jīng)退火處理，導(dǎo)致其玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)并引發(fā)初始晶化溫度下降和過冷液相區(qū)變窄，而屈服