Cu基非晶合金晶化過(guò)程和微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、金屬玻璃，也稱為非晶態(tài)合金，是熾熱的金屬熔化物在瞬間驟冷的情況下，由于原子來(lái)不及重新排列成規(guī)則的晶體，從而把液態(tài)下無(wú)規(guī)則排列的原子凍結(jié)下來(lái)而形成的，并在一定溫度范圍，這種狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定。由于其結(jié)構(gòu)與玻璃非常相似，是一種亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)，具有短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序的特征，所以才被稱為金屬玻璃。 由于金屬玻璃特殊的微結(jié)構(gòu)使其具有許多普通晶態(tài)合金材料所不具備的優(yōu)良的力學(xué)、化學(xué)及物理性能，使之在機(jī)械、通訊、航空航天、汽車工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、運(yùn)動(dòng)器

2、材乃至國(guó)防軍事上具有廣泛的應(yīng)用潛力。利用其在超過(guò)冷溫度區(qū)間的超塑成形能力，可以進(jìn)行微型零件及微型模具的成形，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終成形。近年來(lái)，科學(xué)界和材料工程界對(duì)大塊非晶合金進(jìn)行了廣泛地研究，并且取得了很大的進(jìn)展，但它仍是處于研究階段的新型材料，在理論和實(shí)際應(yīng)用中還有許多問(wèn)題亟待解決，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1目前對(duì)大塊金屬玻璃形成能力的本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不足，沒(méi)有一種成熟的理論指導(dǎo)如何尋找具有較高玻璃形成能力的合金成分；

3、 2沒(méi)有成熟的物理模型來(lái)解釋金屬玻璃合金的短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)及各組元之間的相互作用形式； 3金屬玻璃合金中玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程和晶化過(guò)程的理論認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步研究； 4如何把塊體金屬玻璃的尺寸做得更大、降低制備要求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)； 5金屬玻璃合金的應(yīng)用研究，開(kāi)發(fā)金屬玻璃合金的應(yīng)用潛力。 近些年開(kāi)發(fā)的Cu基大塊金屬玻璃體系具有材料成本低、高的玻璃形成能力和優(yōu)異的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn)，銅基大塊金屬玻璃必將適合

4、作為新型的工程材料。據(jù)最近報(bào)道，Cu-Zr二元體系具有驚人的玻璃形成能力，這無(wú)論對(duì)大塊金屬玻璃的理論研究還是工業(yè)應(yīng)用都具有極其重要的意義。 本文全面綜述了金屬玻璃合金的非晶態(tài)物理和研究發(fā)展過(guò)程、總結(jié)了該合金特殊的制備方法、優(yōu)異的性能和應(yīng)用前景、并介紹了對(duì)于研究這種特殊結(jié)構(gòu)合金先進(jìn)的測(cè)試手段。 采用差熱分析技術(shù)(DSC)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、正電子湮滅技術(shù)及以同步輻射為光源的原位高溫XRD測(cè)試、

5、高能X光衍射技術(shù)、擴(kuò)展邊精細(xì)吸收譜技術(shù)(EXAFS)等先進(jìn)的研究手段，系統(tǒng)研究了Cu-Zr-Al-Ag、Cu-Zr-Al、Cu-Zr金屬玻璃合金體系的熱穩(wěn)定性、原子短程結(jié)構(gòu)、及玻璃轉(zhuǎn)變和晶化過(guò)程的部分熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并取得一些令人欣喜的結(jié)果，對(duì)豐富大塊金屬玻璃相關(guān)領(lǐng)域的理論和今后該體系的工業(yè)應(yīng)用將會(huì)起到一定作用。 研究結(jié)果表明，CuZrAl金屬玻璃合金體系中加入元素Ag將有效增加合金的超過(guò)冷液態(tài)區(qū)的寬度，當(dāng)Ag含量為15at

6、.％Ag時(shí)，△Tx值達(dá)到最大為110K。此合金可能具有Cu基金屬玻璃合金中最大的超過(guò)冷液態(tài)區(qū)的寬度。Ag元素的加入提高了合金中不同元素原子的堆積效率并提高了合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，最終提高了體系的熱穩(wěn)定性。Cu50Zr45Al5金屬玻璃合金的EXAFS測(cè)試結(jié)果表明距離中心Zr原子2.70A處有5個(gè)Cu原子配位，在距離中心Zr原子3.14A處有5個(gè)Zr原子配位。Cu50Zr45Al5金屬玻璃的第一殼層主要由Zr-Zr、Zr-Cu和Cu-Cu

7、原子對(duì)組成。Cu50Zr45Al5金屬玻璃合金在加熱到783K時(shí)同時(shí)析出四角的CuZr2相和正方的Cu10Zr7相，這種共晶轉(zhuǎn)變可能與該合金具有寬超過(guò)冷液態(tài)區(qū)和高Trg和γ值有關(guān)。在最新發(fā)現(xiàn)的Cu-Zr二元大塊非晶合金體系中，玻璃形成能力對(duì)合金成分非常敏感，研究表明具有最佳玻璃形成能力成分的合金同臨近成分的Cu-Zr合金在微結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯差別，它們相似的原子結(jié)構(gòu)為：原子間距從1.74到3.76A范圍內(nèi)的第一殼層配位數(shù)N～14,在中心原子