塑性Zr-Cu-Fe-Al-Y非晶合金及其力学性能

报道了系列具有大塑性变形能力的Y微合金化Zr-Cu-Fe-Al-Y非晶合金。该系列合金在压缩变形条件下,塑性应变量可达8.3%,最高的屈服强度、断裂强度分别为1750、1900MPa。压缩应力-应变曲线呈现明显的锯齿状流变现象,压缩试样表面存在大量剪切带,试样断口呈典型的非晶脉状断口形貌。在变形试样的高分辨电镜分析中没有发现任何结晶相存在。计算显示,该系列非晶合金具有较大的泊松比值,其中(Zr0.58Cu0.24Fe0.08Al0.10)99Y1的泊松比为0.335。这表明大的泊松比是该系列非晶合金具有大塑性变形能力的物理原因之一。     

一种新的具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金

通过二元共晶比例法设计了一种新的具有室温大塑性的Zr51Al9.96Ni14.34Cu24.7块体非晶合金.该合金室温压缩最大强度达2356 MPa,塑性应变达14.6%.高分辨透射电镜(HRTEM)及热分析(DSC)结果表明,压缩过程的变形诱发了纳米晶化.纳米晶的形成一方面诱发新的剪切带的形成,增加了剪切带的密度;另一方面阻碍了剪切带的进一步扩展,使大量初始剪切带与二次剪切带的交割和分叉,因而导致所研究非晶合金优异的塑性变形能力.     

非晶合金塑性理论研究进展

非晶合金是一类兼具玻璃和金属双重特性的新型材料,具有一系列优异的力学、物理和化学性能,已经在国防、空天等领域显示出广阔的应用前景。非晶合金内部原子排列长程无序、短程有序,没有位错、晶界等传统意义上的晶体缺陷。因此,基于位错、孪生等微观机制的经典塑性理论在描述这类材料的塑性行为时遇到了极大的挑战。目前普遍认为,非晶合金宏观塑性流动是微观动态“流动事件”时空演化的结果。但是,对于“流动事件”的认知还很不清楚。主要介绍了目前几种代表性的非晶塑性流动理论：自由体积理论、剪切转变理论、剪切转变区理论以及协同剪切模型,并对非晶塑性流动的结构起源以及局部化剪切带机理进行了评述,最后简要展望了非晶塑性机理发展的几个问题。     

铜基非晶合金板弯曲塑性及剪切带间距的研究

制备了一种压缩断裂塑性应变接近2％的铜基块状非晶板材,并利用三点弯曲实验进行了其弯曲塑性、剪切带间距与试样厚度关系的研究．结果表明：非晶合金的弯曲断裂塑性应变明显依赖于试样厚度,即弯曲断裂塑性应变随试样厚度增加呈指数衰减关系减少;弯曲时剪切带间距随试样厚度增加而线性增加;剪切带间距与试样厚度的比值对于同一非晶合金为恒定值,但随非晶合金种类的不同而变化,与非晶合金的塑性变形能力有关．     

大块非晶合金的复合韧化研究进展

大块非晶合金具有高强度(～2 GPa),大的弹性极限(2%～3%)及良好的耐腐蚀性等优异性能,但室温塑性低限制了大块非晶合金在工程上的实际应用.本文从大块非晶合金变形与断裂的微观机制出发探讨了其室温脆性的本质,并总结了通过在大块非晶合金基体中引入第二相(外加或原位生成)来改善其室温塑性的复合韧化研究进展.     

大块非晶合金的超塑性研究进展

对大块非晶合金在过冷液相区内的超塑性变形特点进行了评述.介绍了在过冷液相区内的流变行为和变形后的组织结构变化,并解释了超塑性变形的机理.同时,对大块非晶合金的超塑性成形技术发展现状况进行了概述.     

具有良好室温塑性的ZrCuNiAlNb块体非晶

在脆性的ZrCuNiAl块体合金中添加Nb,获得新型的Zr60.59Cu15.78Ni10.73Al10.75Nb2.15非晶合金。通过XRD、DSC及HRTEM对合金的结构及热力学参数进行测定,并采用静态压缩实验研究其力学性能。结果表明：合金在XRD和DSC精度范围内呈现非晶态特征,但HRTEM结果显示其析出少量1~2 nm的纳米晶。Nb的添加还显著降低了合金的结晶激活能,有利于形变过程中纳米晶的进一步形核。纳米晶的存在增加了剪切带的形核位置,阻碍和钝化剪切带扩展,并诱发剪切带分叉及新剪切带形成,提高了合金的室温塑性。该块体非晶的屈服强度为1850 MPa,平均塑性应变为11.95%,最大塑性应变达到25.37%,最小塑性应变为2.95%,并具有应变硬化现象     

钨丝增强ZrAlNiCuSi块体非晶复合材料及其塑性行为

采用渗流铸造法制备出了钨丝增强ZrAlNiCuSi块体非晶复合材料，在压缩条件下复合材料表现出弹性-完全塑性的应力-应变行为，和未复合的大块非晶相比，总应变量提高600%以上，非晶复合材料塑性提高的原因是钨丝阻碍了非晶基体剪切带的滑移，诱发多个剪切带的产生，同时滑移的面积增大的结果，复合材料的破坏方式与钨丝体积分数有关，在体积分数小于40%时一般为剪切破坏，大于60%时为纵向劈裂破坏，介于（40-60）%之间时，在钨丝与界面结合良好的情况下，趋于剪切破坏，否则为劈裂的破坏方式。     

Cu64Zr36合金非晶剪切带形成的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)模拟方法研究在轴向压缩下,冷却速率、应变率、环境温度、裂缝对Cu64Zr36二元非晶合金力学性能的影响。在模拟中,采用EAM势函数表述原子间的相互作用。计算结果表明:非晶的弹性模量和抗压强度都比晶体试样大一倍多,而当应变≥15%时两种试样的流动应力几乎相等;冷却速率缓慢得到的非晶试样由于原子发生重组变疏松,产生剪切带,而冷却速率较快得到的试样则没有发生重组;试样的弹性模量、抗压强度和流动应力对应变率变化很不敏感;随着环境温度的升高,流动应力、抗压强度和弹性模量降低;有初始裂纹的试样剪切带集中,从裂纹尖端开始,与加载方向呈45o方向扩展。     

Zr-Cu-Ni-Ta-Al块体非晶合金复合材料的合成及力学性能

采用电弧熔炼铜模铸造法制备了Ta晶体相增强的Zr基非晶合金复合材料。利用差示扫描量热仪（DSC），X射线衍（XRD）射仪，扫描电子显微镜（SEM）等手段研究了Ta加入对（Zr0.65Cu0．175Ni0.175）90-xTaxAl10（x=0，4，6，8，10）（原子百分比）非晶复合材料非晶形成能力及力学性能的影响。结果表明，Ta的加入改变了合金的晶化行为，随着Ta含量的增加，合金的DSC曲线由单一晶化峰转变为多个晶化峰。加入10％Ta的块体非晶合金复合材料的基体固溶约4％的Ta。复合材料的塑性应变量达到3．2％，同时最大应力达到1855MPa，明显高于不含Ta合金。块状非晶合金复合材料中Ta晶体相的存在，阻止单一剪切带的扩展，诱发更多剪切带形成，从而提高了材料的抗压强度和塑性。     

非晶合金熔体的原子扩散

非晶合金熔体的扩散是描述非晶合金熔体动力学行为的重要参数,不同于一般的金属熔体,非晶合金熔体的扩散行为具有自己独特的性质,如表现出典型的慢扩散和复杂的温度依赖关系等。由于技术、理论上的原因,目前无论是国内还是国际上,对非晶合金熔体扩散的研究尚处于不成熟的阶段。主要介绍了扩散系数的几种比较可行的测量方法,其中包括最近本课题组在传统长管法和切单元法基础上开发的滑动剪切技术,该技术能够有效消除加热阶段的扩散,是熔体扩散系数测量的方法的一项进步。同时,基于前人的测量技术和理论模型,对非晶合金熔体的扩散研究进行了系统的总结和讨论。目前能较好地描述一般熔体原子扩散的模型：Arrhenius关系、VFT方程、T^n关系、Darken公式及S—E关系,在非晶合金熔体中都表现出很大的局限性。尽管MCT理论能预言熔体原子扩散的动力学行为,且得到了实验证实,但是其自身亦存在一些难以克服的问题。     

氢对锆基块体非晶合金形变和开裂的影响

通过充氢和未充氢缺口拉伸试样和三点弯曲试样在SEM下的原位加载,研究了氢对Zr65Al7．5Ni10Cu17．5块体非晶合金形变和开裂过程的影响,结果表明,无论是否有氢,块体非晶的剪切带发展到临界尺寸,剪切裂纹就沿剪切带形核、扩展,它一旦张开就导致快速的断裂,断口边缘观察到的无特征区是剪切带,而不是剪切裂纹断口;剪切断口形貌和拉伸断口形貌没有本质区别,只有当长时间充氢才能形成氢鼓泡,如鼓泡很小或尚未形成,则氢对剪切带以及裂纹的形核、扩展没有明显影响;如存在较大的氢鼓泡,则当剪切带尚未充分发展时微裂纹就形核,导致低应力脆断。     

Mg-Cu-(Al-Si)-Y大块非晶合金的制备及晶化研究

采用Al-Si合金部分替代Mg65Cu25Y10大块非晶合金中的Cu元素,形成Mg-Cu-(Al-Si)-Y非晶合金。通过铜模浇注法制备Mg-Cu-(Al-Si)-Y大块非晶合金,发现Al-Si合金的添加对非晶合金的玻璃形成能力没有明显改善,但改善了非晶合金的室温塑性。在晶化温度附近低于晶化温度的条件下对铜辊旋淬法制备的Mg-Cu-(Al-Si)-Y非晶条带进行了处理。结果表明,Mg-Cu-(Al-Si)-Y非晶合金随加热温度的提高和处理的时间的延长晶化程度也随之提高,同时加热晶化增大了合金的室温脆性。     

Mg-Cu-(Al-Si)-Y大块非晶合金的制备及晶化研究

采用Al-Si合金部分替代Mg65u25Y10大块非晶合金中的Cu元素,形成Mg-Cu-（Al-Si）-Y非晶合金.通过铜模浇注法制备Mg-Cu-（Al-Si）-Y大块非晶合金,发现Al-Si合金的添加对非晶合金的玻璃形成能力没有明显改善,但改善了非晶合金的室温塑性.在晶化温度附近低于晶化温度的条件下对铜辊旋淬法制备的Mg-Cu-（Al-Si）-Y非晶条带进行了处理.结果表明,Mg-Cu-（Al-Si）-Y非晶合金随加热温度的提高和处理的时间的延长晶化程度也随之提高,同时加热晶化增大了合金的室温脆性.     

搅拌摩擦加工Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶的组织和性能

研究了搅拌摩擦加工对Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶的组织和性能影响规律。结果表明：搅拌摩擦加工后非晶合金没有发生晶化。室温下准静态压缩后,母材区﹑热影响区﹑搅拌区试样的抗压强度基本相当,但是搅拌区和热影响区的弹性模量明显提高,搅拌区和热影响区试样断裂前均出现锯齿流变现象,其断口呈现多重剪切特征,认为这与搅拌摩擦加工改变自由体积浓度和分布有关     

高强高韧Mg60Cu16Ni10Nd14块体非晶合金的研究

采用铜模铸造法制备了直径为5mm的Mg60Cu16Ni10Nd14块体非晶合金,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)X射线衍射(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)研究了其组织、相结构和热稳定性。结果表明:合金为完全的非晶结构,且出现了相分离;玻璃转变温度Tg、晶化温度Tx分别为431和488K,过冷液相区△Tx为57K,表明该合金具有较大的玻璃形成能力。压缩试验表明:合金的压缩断裂强度为653MPa,断口出现的大量韧窝是合金塑性变形量达到2.5%的主要原因。     

Ti-Zr-Cu-Fe非晶合金制备及生物相容性研究

采用单辊快淬法制备了厚40μm,宽3 mm的四元Ti50Zr16Cu31Fe3非晶合金条带。使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)分析了合金的组织、相结构以及热稳定性;同时将合金在模拟体液(SBF)中培养15 d,分析了合金的组织相容性,利用动态凝血时间以及溶血率分析非晶合金的血液相容性。结果表明,Ti50Zr16Cu31Fe3非晶条带具有较高的热稳定性,过冷液相区ΔTx可达80 K;在模拟体液(SBF)中浸泡15 d后,羟基磷灰石(HA)沉积在合金表面,厚度可以达到5μm,HA团絮状生长,且Ca/P值约为1.65,与人骨的Ca/P值1.67接近;溶血率低,仅为1.08%,表明合金具有良好的生物相容性。     

结构稳定性对Zr基非晶合金电化学腐蚀性能的影响

使用双辊法制备了高能态、高自由体积含量的Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金,研究了结构稳定性对非晶合金在3.5%(质量分数) NaCl溶液中电化学性能的影响。结果表明,退火试样较铸态试样自由体积减小,动电位极化实验中均出现点蚀。在653 K (低于T_g)真空退火30 min的试样电化学腐蚀后表面点蚀坑尺寸和数量减少。在693和723 K (介于T_g和T_x之间)退火的试样腐蚀后点蚀坑尺寸变小,数量增加,非晶中形成的纳米晶使点蚀敏感性增加,基体中自由体积减小阻碍点蚀坑进一步传播。研究表明,双辊法制备的高能态的、自由体积含量多的非晶合金铸带易被腐蚀,在结晶温度以下退火,可以减少其自由体积含量,有利于其腐蚀性能的提高。