相分離非晶合金形成機制及塑性變形研究.pdf

1、非晶合金具有優(yōu)異的機械、物理和化學(xué)性能，被用作結(jié)構(gòu)材料和功能材料。但非晶合金特殊的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了室溫塑性變形能力差，成為限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。研究發(fā)現(xiàn)，利用相分離（難混溶）合金組元互相排斥的性質(zhì)制備出納米尺度相分離非晶合金能夠有效提高非晶合金的室溫壓縮塑性。目前還缺乏對相分離非晶合金形成的微觀機制以及分離相對塑性變形的作用機制的認識。Fe-Cu合金是典型的難混溶合金，相分離程度大，因此該體系構(gòu)成的相分離非晶合金具有代表性。
　　本

2、論文以典型的相分離Fe-Cu合金作為研究對象，采用計算機模擬和實驗相結(jié)合的方法，首先對相分離合金熔體進行結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)表征，并與典型的Cu-Zr混溶體系進行對比，探討難混溶合金的相分離機制，其次闡明Fe50Cu50、Fe75Cu25兩種典型的合金熔體快速凝固條件下形成晶體、非晶的微觀過程，最后利用快速凝固技術(shù)制備Zr-(Cu-Fe)-Al納米尺度相分離非晶合金，分析形成機制，揭示分離相對非晶合金室溫壓縮塑性的影響及作用機制。
　　本

3、文首先選擇Cu-Zr和Fe-Cu合金作為混溶合金和難混溶合金的典型體系，對二元混溶和難混溶合金進行結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)表征。研究發(fā)現(xiàn)，由于合金熔體中原子間相互作用力不同，混溶和難混溶合金熔體的結(jié)構(gòu)存在著很大的差別。在混溶的Cu-Zr合金熔體中，異類原子間的偏偶分布函數(shù)曲線第一峰的峰值大于同類原子，異類原子的配位數(shù)也大于同類原子，說明合金熔體的中心原子的第一配位層主要分布著異類原子。混溶合金的Bhatia-Thornton(B-T)結(jié)構(gòu)因子中的成

4、分波動自相關(guān)函數(shù)(Scc(q))在q趨近于0時沒有明顯波動。難混溶的Fe-Cu合金熔體的同類原子間偏偶分布函數(shù)曲線第一峰的峰值遠大于異類原子，同類原子的配位數(shù)也更大，標志著同類原子間形成最近鄰結(jié)構(gòu)，其B-T結(jié)構(gòu)因子在q趨近于0時Scc(q)突然增大，表明難混溶合金熔體中原子濃度出現(xiàn)劇烈波動。分析發(fā)現(xiàn)，合金熔體的過剩體積本質(zhì)上是原子間吸引力和排斥力相互作用的結(jié)果，與合金熔體混溶趨勢無關(guān)。合金熔體的混合焓是由合金體系能量的變化決定，混溶合金

5、的混合焓為負，難混溶合金的混合焓為正。以上研究為相分離非晶合金的成分設(shè)計提供依據(jù)。
　　對Fe50Cu50合金熔體在不同溫度下的弛豫行為進行模擬，通過分析液滴尺寸、原子濃度波動以及體系中的勢能變化，探究合金熔體的相分離機制和驅(qū)動力。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e50C50合金熔體的相分離過程由調(diào)幅分解機制控制，最終形成富Cu區(qū)和富Fe區(qū)，主要經(jīng)歷網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)生成、粗化以及液滴的遷移和球化過程。合金熔體在1500K弛豫平衡后，富Cu區(qū)內(nèi)的Cu原子含量

6、為90％，富Fe區(qū)內(nèi)Fe原子的含量為95％，相分離過程存在著明顯的上坡擴散現(xiàn)象。合金熔體內(nèi)的平均勢能和相區(qū)尺寸在相分離初期和液滴聚集粗化的階段有明顯下降，隨后不再變化，說明勢能的減小是合金熔體發(fā)生相分離的驅(qū)動力。對不同原子勢能的計算發(fā)現(xiàn)Fe原子勢能的減小造成了Fe原子聚集，富Fe區(qū)內(nèi)的Cu原子“被迫”移動到富Cu區(qū)內(nèi)。低溫弛豫體系中富Cu區(qū)和富Fe之間存在著更大的勢能差，因此原子的擴散速率更高，相分離程度更大。
　　對Fe50Cu

7、50合金熔體從3500K至300K的快速凝固過程進行分子動力學(xué)模擬，結(jié)合原子構(gòu)型圖研究其相分離機制以及非晶或晶體的形成過程。Fe50Cu50合金熔體快速凝固過程中先在調(diào)幅分解機制控制下發(fā)生相分離，然后凝固成晶體或非晶體。在不同冷速下，合金熔體最終形成三種不同形態(tài)的微觀組織:較高的冷速形成分布著網(wǎng)格狀富Fe相的非晶，降低冷速形成分布著網(wǎng)格狀分離相的晶體，進一步降低冷速則形成分布著富Fe液滴的晶體。在晶化過程中，只有富Fe區(qū)（團簇）中才會形

8、核。最終晶體中會出現(xiàn)很多孿晶，晶界兩側(cè)同類原子堆垛呈現(xiàn)出鏡像對稱。
　　對Fe75Cu25合金熔體不同冷速時的快速凝固過程進行分子動力學(xué)模擬，同時利用單輥快淬法制備Fe75Cu25和Fe50Cu50合金條帶，對其相分離機制和晶化過程進行研究。當(dāng)模擬體系的冷速達到6.4×1012K/s合金最終凝固為非晶狀態(tài)。與Fe50Cu50合金熔體不同，F(xiàn)e75Cu25合金熔體的相分離過程由形核生長機制控制，最終在富Fe基體上形成富Cu液滴，因此

9、所有體系凝固后的形貌都是是在非晶或晶體結(jié)構(gòu)中分布著液滴狀的分離相。實驗制備的合金條帶的結(jié)構(gòu)與模擬獲得的結(jié)構(gòu)相一致。晶化后的合金結(jié)構(gòu)與Fe50Cu50合金相似。模擬結(jié)果說明相分離合金中元素的含量會對相分離機制和分離相形貌產(chǎn)生影響，冷卻速度只影響分離相的形貌而不會影響相分離機制。形核生長機制控制的相分離過程不出現(xiàn)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，因此更有利于在相分離非晶合金中獲得均勻分布的相分離組織。
　　利用Fe、Cu的難混溶特性，在非晶形成育力較強的Z

10、r-Cu-Al合金中加入微量Fe元素，通過快速凝固技術(shù)制備出納米尺度相分離Zr65-xCu30FexAl10(x=5和7.5at.％)非晶合金，對其塑性進行研究。結(jié)果表明，Zr60Cu25Fe5Al10的非晶形成能力優(yōu)于Zr575Cu25Fe75Al10，F(xiàn)e元素的增加會降低Zr-(Cu-Fe)-Al合金非晶形成能力。在形核生長機制的控制下，制備的非晶合金中形成了許多相分離顆粒，導(dǎo)致非晶合金呈現(xiàn)出大規(guī)模的微觀結(jié)構(gòu)分布不均勻現(xiàn)象。變形過程

11、中，分離相在遠離主剪切帶的位置誘發(fā)形成多重剪切帶，同時沿著主剪切帶產(chǎn)生密集的多重剪切帶，在兩種剪切帶的共同作用下，相分離非晶合金在壓縮實驗時表現(xiàn)出較高的屈服強度和明顯的宏觀塑性。對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的鋸齒狀波動分析發(fā)現(xiàn)塑性變形的穩(wěn)定階段和后期階段局部應(yīng)力下降的互補積累概率分布都符合冪律分布。前者的冪律標度指數(shù)大于后者，表明塑性變形的穩(wěn)定階段在動力學(xué)上處于更加穩(wěn)定的自組織臨界狀態(tài)，這是由于在變形過程中在遠離主剪切帶處形成多重剪切帶。在塑性變