鐵基塊體金屬玻璃及其復合材料的強韌化研究.pdf

1、Fe基塊體金屬玻璃以其高強度，高硬度，高彈性極限以及低廉的材料成本等優(yōu)異性能，使其成為產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊的下一代結(jié)構(gòu)材料。然而，極低的室溫塑性變形能力極低（壓縮塑性應變通常低于0.2％），嚴重限制了Fe基塊體金屬玻璃的廣泛應用。因此，開發(fā)新型的高強度并兼有良好塑韌性的Fe基塊體金屬玻璃及其復合材料，成為當前結(jié)構(gòu)材料前沿領(lǐng)域的熱門課題，具有重要意義。根據(jù)形成組元的不同，F(xiàn)e基金屬玻璃可大致劃分為Fe(B，Si)-系和Fe(P，C)-系兩大

2、類型，其中Fe(P，C)-系金屬玻璃具有較好的塑韌性。為了提高Fe基金屬玻璃的室溫塑性，本文提出了發(fā)展單一“a-Fe”韌性相增強的Fe基塊體金屬玻璃基內(nèi)生復合材料的設想。依據(jù)這一研究思路，通過合理的成分和結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了一系列新型鐵基塊體金屬玻璃及其復合材料。利用X射線衍射分析儀（XRD）、光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、示差掃描量熱儀（DSC）、萬能材料試驗機等實驗手段系統(tǒng)研究了其顯微結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)

3、定性及室溫力學行為。主要的結(jié)論概括如下：
　　 （1）通過電弧熔煉/水冷銅模吸鑄技術(shù)，利用適量的Ni部分替換Fe，獲得了具有良好室溫塑性變形能力的新型(Fe0.8Ni0.2)71Mo5P12C10B2塊體金屬玻璃，壓縮塑性應變超過5 ％，這歸因于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和冷液相區(qū)DTx的降低，在外載荷作用下，金屬玻璃結(jié)構(gòu)易于失穩(wěn)而展現(xiàn)出更好的塑性變形能力。
　　 （2）根據(jù)相選擇理論，在FeMoPCB金屬玻璃中，首次獲得了含有

4、均布于玻璃相基體上的單一α-Fe枝晶相的Fe金屬玻璃內(nèi)生復合材料。在形變過程中，韌性α-Fe枝晶相在抑制合金單一剪切帶的迅速失穩(wěn)擴展的同時，也促進了多重剪切帶的萌生，使得Fe77Mo5P9C7.5B1.5金屬玻璃基復合材料展現(xiàn)出比單一Fe基金屬玻璃具有更好的室溫塑性變形能力，1mm直徑壓縮樣品的宏觀壓縮塑性應變超過30 ％。
　　 （3）以Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃為初始合金，分別沿簡化的Fe-Mo-(PC

5、B)成分三角形中水平向右和右下角富Fe端方向開發(fā)了一系列玻璃基內(nèi)生復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，沿水平向右方向制備的復合材料，其第二相分布更均勻。而沿右下角方向獲得的復合材料，其第二相呈現(xiàn)“螺旋狀”的不均勻分布，這主要是由于類金屬和金屬Mo含量的減少，破壞了初始合金的玻璃形成能力所致。
　　 （4）當α-Fe樹枝晶原位析出的體積分數(shù)少于5％時，不能有效阻礙主剪切帶的失穩(wěn)擴展，此時的塑性變形主要依賴于金屬玻璃基體。當α-Fe相繼續(xù)增加至臨界

6、體積分數(shù)（約30～50％）時，析出相相互連接，形成“手拉手”的網(wǎng)狀分布，復合材料中的局域剪切斷裂源隔離為一個個孤立的局部剪切區(qū)域，此時材料表現(xiàn)出宏觀塑性變形。當?shù)诙嗟捏w積分數(shù)超過逾滲閾值后，塑形變形能力下降。
　　 （5）通過單邊缺口三點彎曲試驗，得到了Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃、Fe77Mo5P9C7.5B1.5和Fe79Mo5P8C6.7B1.3金屬玻璃基復合材料的缺口斷裂韌性分別為：27.2±2.1

7、 Mpa-m1/2、36.7±4.3 Mpa-m1/2和25.5±4.0 Mpa-m1/2。研究指出，低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和剪切模量G，是Fe75Mo5P10C8.3B1.7單相金屬玻璃具有良好斷裂韌性的主要原因。
　　 （6）TEM結(jié)果表明，F(xiàn)e77Mo5P9C7.5B1.5金屬玻璃基復合材料中析出的第二相為單一的α-Fe相。韌性的α-Fe相能夠有效地避免裂紋快速失穩(wěn)擴展，同時促進了裂紋分叉，使得Fe77Mo5P9C7.5B1