Cu基大塊非晶合金的制備及性能.pdf

1、Cu基非晶合金,特別是Cu-Zr-Al體系因其高強(qiáng)度、高硬度、塑性好而成為極具應(yīng)用前景的非晶合金材料,并引起眾多研究者的注目.本文通過(guò)微合金化,在Cu-Zr-Al體系中加入少量其他元素以銅模冷卻吸鑄的方法制備得到厘米級(jí)的大塊非晶合金.并對(duì)所制備合金的熱力學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究,找到一系列具有較大臨界合成尺寸、較好力學(xué)性能、有應(yīng)用前景的Cu基非晶合金.另外本文還就新開(kāi)發(fā)的La基非晶合金方面做了部分工作,就其鑄態(tài)和退火態(tài)的拉伸及應(yīng)力松弛行為

2、進(jìn)行了研究. 通過(guò)加入微量稀土元素La、Ce、Nd、Gd和過(guò)渡金屬元素Y、Ti、Ag實(shí)現(xiàn)微合金化,用傳統(tǒng)的銅模冷卻吸鑄的方法成功制備出了一系列四元Cu-Zr-Al-Me(Me=La,Ce,Nd,Gd,Y, Ti和Ag,0≤x≤8 at.﹪)體系大塊非晶合金.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Gd、Y、Ti和Ag等元素的加入可增大上述四元合金體系的玻璃形成能力,并且在成分Cu<,45>Zr<,46>Al<,7>Gd<,2>、Cu<,45>Zr<,47

3、>Al<,7>Y<,1>、Cu<,45>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>和Cu<,45-x>Zr<,48>Al<,7>Ag<,x>(x-0,2,5 and 8 at.﹪)中發(fā)現(xiàn)了臨界吸鑄直徑達(dá)厘米級(jí)的大塊非晶合金,其中成分為Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>的合金體系具有最佳的玻璃形成能力,其臨界吸鑄直徑達(dá)到12mm. 通過(guò)分析這一系列Cu基非晶合金體系的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),非晶形成能力最好的成分并不

4、一定是其共晶點(diǎn)成分.在評(píng)價(jià)合金玻璃形成能力的熱力學(xué)參數(shù)中,過(guò)冷液相區(qū)(△T=T<,x>-T<,g>),約化溫度(T<,rg>=T<,g>/T<,1>),和γ=T<,x>/(T<,g>+T<,1>)普遍被用來(lái)評(píng)價(jià)非晶合金的玻璃形成能力.但過(guò)冷液相區(qū)和約化溫度兩判據(jù)在本文開(kāi)發(fā)的非晶合金體系中并未表現(xiàn)出與玻璃形成能力之間有必然的聯(lián)系,而γ值則能相對(duì)較好的反映合金的玻璃形成能力. 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,微合金化對(duì)非晶合金體系的塑性有顯著

5、的影響.相比Cu45Zr4sAl7較好的塑性(塑性形變達(dá)2.4﹪),Gd的加入使四元Cu-Zr-Al-Gd非晶合金成為完全脆性材料.少量Ti的加入則大大增加了Cu<,45>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>非晶合金的塑性,其塑性應(yīng)變達(dá)9.5﹪,SEM顯示壓縮過(guò)程產(chǎn)生了高密度并相互交織作用的剪切帶,這可能是其具有高塑性的一個(gè)主要因素.Cu-Zr-Al-Ag體系中成分Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>體系的塑性

6、達(dá)到3.0﹪,顯示了較好的延展性,但隨著Ag含量的增大,其塑性逐漸降低.而且Ag元素的加入顯著增加了非晶合金體系的維氏硬度,楊氏模量、泊松比也都稍微增大. 近年來(lái)許多研究表明,Cu-Zr-Al體系非晶合金的高塑性與壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的納米晶化相有關(guān),因此我們對(duì)Cu<,45>Zr<,48>A<,17>、Cu<,43>Zr<,48>Al<,7>Ag<,2>和Cu<,40>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1-5>三個(gè)非晶合金體系就其

7、晶化激活能與塑性的關(guān)系進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,晶化激活能最小的Cu<,40>Zr<,46.5>Al<,7>Ti<,1.5>合金體系具有最大的塑性應(yīng)變,隨著晶化激活能的增大,合金難以形核析出晶化相,塑性應(yīng)變降低. 通過(guò)pin-on-disc的方法研究了一系列Cu<,45-x>Zr<,48>Al<,7>Ag<,x>(x=0,2,5 and 8 at﹪)合金的干滑移磨損行為.結(jié)果顯示這些非晶合金體系均表現(xiàn)出突出的耐磨性能,磨損系數(shù)K范圍

8、在2.4～5.4×10<'-4>之間,摩擦系數(shù)f范圍在0.152～0.206,而磨阻卻高達(dá)0.96～2.55×10<'13>Pa.相比Zr<,48>Cu<,45>Al<,7>非晶合金,含Ag合金體系的磨阻顯著增大.在我們所研究的四元Cu-Zr-Al-Ag大塊非晶合金體系中,磨阻與材料的力學(xué)性能是息息相關(guān)的,它與合金硬度成正比例并在一定程度上與塑性成反比.通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)磨損的嚴(yán)重程度與非晶合金的硬度和塑性有關(guān),低硬度高塑性的成分合金磨

9、損程度嚴(yán)重.SEM照片還揭示了磨屑生成及脫落過(guò)程. 對(duì)新開(kāi)發(fā)的La<,62>Al<,14>Cu<,11.7>Ag<,2.3>Ni<,5>Co<,5>大塊非晶合金就其鑄態(tài)和退火態(tài)試樣進(jìn)行了拉伸和應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)恒溫退火處理大大影響了該合金的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.密度和馳豫峰強(qiáng)度變化顯示隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)自由體積減少了.相關(guān)力學(xué)性能如斷裂強(qiáng)度、維氏硬度和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)隨著自由體積的減少都有不同程度的增大.應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)力松

10、弛穩(wěn)定性、松弛速率以及粘度均隨退火時(shí)間的延長(zhǎng)而增加. 用SEM對(duì)拉伸斷裂形貌研究發(fā)現(xiàn),斷裂面總是垂直于加載軸方向,θ<,T>=90°,并且試樣屈服后沒(méi)有明顯的塑性變形產(chǎn)生,這表明鑄態(tài)和退火態(tài)試樣在拉伸斷裂過(guò)程中均是典型的脆性斷裂.斷面形貌由平滑區(qū)和犁溝區(qū)同時(shí)存在(在鑄態(tài)和4h退火試樣中)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳鐪蠀^(qū)為主(8h以上退火).從斷面形貌圖中平滑區(qū)域的高倍照片可發(fā)現(xiàn)脈絡(luò)狀花紋,這說(shuō)明在拉伸斷裂過(guò)程中曾發(fā)生過(guò)局部頸縮和塑性變形.SE

11、M照片還顯示斷裂的主裂紋總是起始于平滑區(qū)域和犁溝區(qū)域的交界處,隨后眾多細(xì)小裂紋沿著主裂紋延展方向呈樹(shù)枝狀開(kāi)裂.長(zhǎng)時(shí)間退火處理促使La<,62>Al<,14>CU<,11.7>Ag<,2.3>Ni<,5>Co<,5>非晶合金中自由體積逐漸湮滅,并隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)自由體積濃度減小,因而鑄態(tài)合金中可能存在更高濃度的自由體積,這在用SEM觀察時(shí)表現(xiàn)為富含渦旋狀花紋(暗示塑性斷裂)的平滑區(qū)域逐漸縮小直至消失(退火8h以上).自由體積變化宏觀上表