Cu-Zr-Al-Dy非晶合金晶化动力学及其力学性能的研究

摘要

非晶合金的晶化动力学、微观结构和力学性能是非晶合金研究的重点方向之一。Cu基非晶合金，尤其是Cu-Zr-Al系非晶合金以其大的玻璃形成能力、优异的力学性能以及较低的成本成为极具工程应用前景的非晶合金材料，引起了人们的广泛关注。
　　本文以单辊急冷法和铜模铸造法成功制备出了(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金薄带以及Cu47Zr45Al8、(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2和(Cu0.46Zr0.44Al0.08Dy0.02)100-xFex（x=1，3，5，7）圆柱形非晶试样。
　　本文以X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及万能材料试验机为主要测试分析手段，首次研究了(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金的非等温晶化动力学、晶化行为、机械性能以及Fe元素的添加对(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金微观结构、热稳定性、机械性能的影响。
　　研究结果表明:
　　(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金薄带在连续加热条件下，随着升温速率的增加，其玻璃转变温度Tg、晶化温度（起始温度Tx和峰值温度Tp）均向高温方向移动，表明了这些特征温度都具有显著的动力学效应。利用Kissinger方程和Ozawa方程计算(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶薄带的激活能分别为Eg=342.9和357.2 kJ/mol，Ex=413.8和429.3 kJ/mol以及Ep=467.3和484.9 kJ/mol，由此可见，利用这两种计算方法得出的Ep均大于Ex，表明(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶的晶粒长大比形核过程更为困难，利用Kempen模型计算出的(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶的Avrami指数n为5.6和1.3，表明这种非晶的晶化过程主要是界面控制的多晶型晶化，晶化过程为:非晶→非晶+Cu10Zr7→Cu10Zr7+AlZr2。
　　Cu47Zr45Al8非晶合金的室温压缩强度和显微硬度分别为1684MPa和628.8HV，由于Dy元素的添加，(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2具有更高的压缩强度和显微硬度，分别为1724MPa和636.8 HV。(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金断裂失效过程是以剪切方式破坏，在断口上可以观察到明显的脉络纹存在，并且均匀分布在断裂面上，同时在断口上可以明显观察到合金的软化和熔化后形成“液滴”现象，呈现出非晶合金典型的断裂特征。
　　适量Fe元素的添加能够有效地改善(Cu0.47Zr0.45Al0.08)98Dy2非晶合金的微观结构，当Fe元素的含量为1％和3％，合金为完全地非晶结构，没有晶化相的产生，热稳定性有所提高，并且出现富Fe相和富Cu相两相分离，这种相分离结构有助于改善非晶合金的塑性，然而随着Fe元素含量的继续提高，Fe元素含量为5％和7％时，XRD图谱中有尖锐的衍射峰出现，即非晶合金发生了晶化，经标定晶化产物主要为DyFe2、 Cu10Zr7、 FeZr3和Fe2Zr等金属间化合物。适量Fe元素的添加也有利于Cu46Zr44Al8Dy2合金的强度和塑性的提高，随着Fe元素含量的增加，Cu46Zr44Al8Dy2非晶合金的压缩强度和塑性呈现先增大后减小的趋势，当添加3％的Fe时，块体非晶合金的压缩强度σf和塑性εp达到最大，分别达到1835 MPa和0.5％。当Fe元素含量为1％时，可以在合金断口观察到许多近平行地并且在局部区域内的纹理细密交错的脉络纹;当Fe元素含量为3％时，主脉络纹与添加1％ Fe时一样，都是沿着合金断裂的方向进行扩展，同时在主脉络纹两侧能够观察到大量近平行地局部区域纹理更加细密交错的脉络纹，并且这些脉络纹的密度比Fe元素含量为1％时有明显地提高，这将有助于减少应力集中，提高合金的塑性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 非晶合金简介及发展历程

1．1．1 非晶合金简介

1．1．2 非晶合金的发展历程

1．2 非晶合金的制备方法

1．3 非晶合金形成能力的经验原则和有关判据

1．3．1 非晶合金形成能力的经验原则

1．3．2 非晶合金形成能力的有关判据

1．4 非晶合金的晶化

1．5 非晶合金的性能及应用

1．5．1 非晶合金的性能

1．5．2 非晶合金的应用

1．6 Cu基非晶合金的研究进展

1．6．1 Cu基非晶合金的发展历程

1．6．2 Cu基非晶合金研究存在的问题

1．7 主要研究内容及意义

第二章 实验方法

2．1 实验材料及工艺流程

2．2 实验设备

2．2．1 非自耗真空电弧炉

2．2．2 真空甩带机

2．2．3 磁悬浮熔炼-铜模吸铸设备

2．3 实验过程

2．3．1 合金成分的配制

2．3．2 合金锭的制备

2．3．3 非晶薄带的制备

2．3．4 块体非晶合金的制备

2．4．1 X射线衍射分析(XRD)

2．4．2 差示扫描量热分析(DSC)

2．4．3 扫描电子显微镜分析(SEM)

2．4．4 透射电镜分析(TEM)

2．4．5 室温压缩性能测试

2．4．6 显微硬度测试

2．5 DSC数据处理方法与晶化动力学参数计算

2．6 本章小结

第三章 Cu-Zr-Al-Dy非晶合金的晶化动力学及力学性能研究

3．1 引言

3．2 (Cu0．47Zr0．4sAl0．08)08Dy2非晶薄带的晶化动力学研究

3．2．1 结构表征

3．2．2 (Cu0．47Zr0．45Al0．08)98Dy2非晶薄带的变温晶化动力学效应

3．2．3 (Cu0．47Zr0．45Al0．08)98Dy2非晶薄带的激活能

3．2．4 (Cu0．47Zr0．45Al0．08)98Dy2非晶薄带的Avrami指数

3．2．5 (Cu0．47Zr0．45Al0．08)98Dy2非晶薄带的晶化过程

3．3 (Cu0．47Zr0．45Al0．08)98Dy2非晶合金的力学性能研究

3．3．1 结构表征

3．3．2 压缩试验结果分析

3．3．3 压缩断裂机理分析

3．3．4 显微硬度结果分析

3．4 本章小结

第四章 铁元素的添加对Cu-Zr-Al-Dy非晶合金的结构及力学性能的影响

4．1 引言

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 Fe元素的添加对Cu46Zr44Al8Dy2非晶合金微观结构的影响

4．2．2 Fe元素的添加对Cu46Zr44Al8Dy2非晶合金热稳定性的影响

4．2．3 Fe元素的添加对Cu46Zr44Al8Dy2非晶合金力学性能的影响

4．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附表A 攻读学位期间发表的论文