Zr基塊體非晶合金的玻璃形成能力及力學行為研究.pdf

1、Zr基塊體非晶合金具有較高的玻璃形成能力與優(yōu)異的性能，作為結構材料具有廣泛的應用前景。本文設計了一系列新型Zr-Cu-Ni-Al塊體非晶合金成分，并研究了其玻璃形成能力與力學行為。在新設計的非晶合金基礎上，進一步研究了稀土Gd摻雜對其玻璃形成能力及力學行為的影響。
　　選取具有較低共晶溫度且共晶產物為線性化合物的二元共晶對作為基本單元，即Zr44Cu56, Zr64Ni36和Zr51Al49，按下式進行混合：
　　Cam=x

2、(Zr44Cu56)+y(Zr64Ni36)+z(Zr51Al49)(x+y+z=1)
　　結合相競爭理論，調整共晶單元的比例系數(shù)，獲得了不同玻璃形成能力的非晶合金新成份。當x=y=z=1/3，得到臨界尺寸為6mm的Zr53Cu18.7Ni12Al16.3非晶合金。為提高玻璃形成能力，抑制競爭晶化相的析出，調節(jié)比例系數(shù)，當x=10/24，y=z=7/24，可獲得臨界尺寸為10mm的Zr51.9Cu23.3Ni10.5Al14.3非

3、晶合金。為進一步提高玻璃形成能力，繼續(xù)調節(jié)比例系數(shù)，當x=12/24，y=z=6/24，最終得到臨界直徑達14mm的Zr50.7Cu28Ni9Al12.3非晶合金，這是Zr-Cu-Ni-Al合金系中已報道的玻璃形成能力極強的成分。
　　依據過冷液相區(qū)的黏度測試結果，對Zr53Cu18.7Ni12Al16.3，Zr51.9Cu23.3Ni10.5 Al14.3和Zr50.7Cu28Ni9Al12.3的脆性系數(shù)m進行擬合，分別為55.

4、1，53.4和51.2。通過合金凝固點偏移法測定上述三種合金的臨界冷卻速度Rc分別為82K/s，46K/s和9.8K/s。Zr50.7Cu28Ni9Al12.3塊體非晶合金同時具有低的脆性系數(shù)m與臨界冷卻速率Rc，從合金凝固的動力學方面解釋了其具有極高玻璃形成能力的原因。
　　依據同步輻射高能XRD結果，并結合Miracle的有效團簇排布模型，構建了四元Zr-Cu-Ni-Al塊體非晶合金的結構模型。在上述三種非晶合金中，體積較小的

5、Cu原子置換體積較大的Zr原子，有利于穩(wěn)定有效密排的非晶結構，進而提高該合金系的玻璃形成能力。
　　Zr53Cu18.7Ni12Al16.3，Zr51.9Cu23.3Ni10.5Al14.3和Zr50.7Cu28Ni9Al12.3非晶合金的室溫力學性能研究表明，它們的壓縮塑性應變分別為14.5％，6.7%和5%，斷裂韌性值分別為84.7MPam、74.3MPam和61.4MPam。Zr53Cu18.7Ni12Al16.3非晶合金的

6、壓縮塑性應變與斷裂韌性值均高于其它兩種合金。高分辨透射電鏡觀察結果表明，Zr53Cu18.7Ni12Al16.3非晶合金變形過程引入了納米晶化，這種納米晶的形成導致了該合金具有較高的塑性變形能力與斷裂韌性。
　　當測試環(huán)境溫度從室溫（298K）降低到123K時，Zr50.7Cu28Ni9Al12.3非晶合金的壓縮屈服強度從1904MPa增加到2147MPa，壓縮塑性應變由5%增加到7.5%。在低溫環(huán)境中需要較高的加載應力才能使剪切

7、帶形核，因而屈服強度的增加；而低溫環(huán)境下，原子活動能力的降低，使剪切帶發(fā)生增殖，導致了塑性的增加。
　　在玻璃形成能力極高的四元Zr50.7Cu28Ni9Al12.3合金中，摻雜適量的Gd可進一步提高其玻璃形成能力。當Gd元素摻雜量為1%時，即(Zr50.7Cu28Ni9Al12.3)99Gd1，可形成直徑為18mm的非晶合金。Gd元素的加入，降低了過冷液體與晶體相之間的Gibbs自由能差ΔG，從熱力學方面說明了Gd摻雜提高玻璃形