锆基非晶合金及复合材料凝固行为的研究

摘要

合金的凝固行为直接影响到材料的性能，冷速对合金的凝固组织影响很大，只有当冷速大于临界冷速 Rc时才能形成非晶组织。本文制备了 Zr72Cu28、(Zr0.72Cu0.28)88Al12、(Zr0.72Cu0.276Ag0.004)88Al12、(Zr0.72Cu0.165Ni0.115)88Al12合金楔形试样和棒状试样，采用X射线衍射、室温压缩实验、显微硬度测试和扫描电镜等方法对其凝固组织和力学性能测试分析，研究结果如下： (1)制备了四种合金的楔形试样，得到其对应的非晶复合材料，首先探索得到了四种非晶复合材料的最佳腐蚀工艺，并研究了楔形试样的凝固组织，发现Zr72Cu28楔形试样分为两个区：复合区和晶体区。楔形试样截面宽度b<2.68mm为复合区，组织为柱状晶和非晶特有的网络状结构；截面宽度b>2.68mm为晶体区，组织为试样边缘为等轴晶，心部多为柱状晶。其他三种合金楔形试样分为三个区：非晶区、复合区和晶体区。(Zr0.72Cu0.28)88Al12楔形试样截面宽度b<2.06mm为非晶区，组织为网状结构；2.06mm4.18mm为晶体区，组织为柱状晶+等轴晶。(Zr0.72Cu0.276Ag0.004)88Al12楔形试样截面宽度 b<3.22mm为非晶区，组织为网状结构；3.22mm4.72mm 为 晶 体 区 ， 组 织 为 等 轴 晶 。(Zr0.72Cu0.165Ni0.115)88Al12楔形试样截面宽度 b<4.52mm 为非晶区，组织为网状结构；4.52mm7.36mm为晶体区，组织为等轴晶。 (2)测量并绘制了(Zr0.72Cu0.28)88Al12楔形试样的面硬度分布图，发现非晶区、复合区、晶体区的硬度依次增加，非晶区和复合区的过渡区，复合区和晶体区的过渡区都是不规则的，不是理论上的抛物线形状。非晶区和复合区的显微硬度值比较稳定，HV值分别在 450-495、495-560范围内，这是由于这两个区域内各点的冷却速率有差别，但差别不大，形成的组织性能比较稳定。晶体区的显微硬度值波动比较大，HV值在530-630范围内，可以看出同一成分的熔液在不同冷速下形成的晶体，在显微镜下其组织形貌可能相差不大，但是其硬度值相差很大。在光镜下看到的晶体区组织基本都是柱状晶和等轴晶，但是由硬度分布图可以看出，在靠近铜模冷速较大的边缘部分形成的柱状晶硬度较大，而靠近心部冷速较小形成的等轴晶硬度较小。贴着铜模壁形成的表层细晶显微硬度HV值最大达到700。 (3)制备了四种合金不同直径的棒状试样，研究了冷却速率对 Zr基非晶合金组织和力学性能的影响，结果表明：增大冷速可以提高非晶合金试样的塑性和强度，其中(Zr0.72Cu0.276Ag0.004)88Al12合金 2mm试样塑性最好，达到 31.29%，强度也最高，屈服强度和抗压强度分别达到了 1916MPa和 2934MPa。对比不同成分的相同直径试样的力学性能，发现微合金化可以显著提高合金的强度和塑性， (Zr0.72Cu0.28)88Al12加入微量Ag后甚至比(Zr0.72Cu0.165Ni0.115)88Al12塑性和强度更高。 (4)由于冷速较快，楔形试样非晶区、复合区及晶体区成分分布也很均匀，而非晶区与复合区的过渡区及复合区与晶体区的过渡区组织较为复杂，存在成分偏析。

目录

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第1章 绪 论

1.1 非晶合金的概述及研究现状

1.2 非晶合金的非晶形成能力判据

1.3非晶合金的铸造成型技术

1.4非晶合金的力学性能

1.5本课题研究的意义和主要内容

第2章 实验方法与实验样品制备

2.1实验样品的制备

2.2分析和检测方法

第3章 冷却速率对Zr基非晶合金组织和力学性能的影响

3.1前言

3.2实验材料及方法

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

第4章 冷却速率对Zr基合金凝固组织的影响

4.1前言

4.2实验材料及方法

4.3实验结果与讨论

4.4本章小结

第5章 Zr基合金楔形试样凝固偏析的研究

5.1引言

5.2实验材料及方法

5.3实验结果分析与讨论

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录