液态置氢对锆基块体非晶合金形成能力和力学性能的影响

摘要

块体非晶合金具有一系列的优异性能,如屈服强度高、弹性应变极限大以及良好的耐腐蚀性能和优异的软硬磁学性能,成为当今材料界的研究热点之一。本文采用液态置氢的方法将氢加入到锆基块体非晶合金中,所谓液态置氢,指的是在氢/氩混合气氛下熔炼合金,使氢扩散到合金熔体中的一种新的置氢方法。研究了液态置氢对非晶合金熔体的净化作用,对非晶合金玻璃形成能力和力学性能的影响规律以及作用机制。
　　首先研究了液态置氢对去除Zr55Cu30Ni5Al10合金中杂质元素氧的作用,发现液态置氢对非晶合金具有明显的脱氧作用。随着氢氩混合气氛中氢含量和熔炼时间的增加,合金中的氧含量逐渐降低。当氢氩混合气氛中氢含量为15％,熔炼时间为400s时,具有最佳的脱氧作用,随后凝固得到的合金呈完全的非晶态结构。根据吉布斯自由能的变化情况,可知在高温区时,氢与氧反应的吉布斯自由能较锆与氧反应的吉布斯自由能更低,因此氢与氧更容易发生反应,从而避免了锆与氧反应形成的氧化锆或者锆/氧团簇作为异质形核核心对非晶合金形成能力的有害作用。
　　对Zr55Cu30Ni5Al10合金进行液态置氢,发现随着氢氩混合气氛中氢含量的增加,钮扣锭中含有的晶体相CuZr3和AlZr2的数量逐渐减少,当氢含量达到10%时,钮扣锭中的晶体相会完全消失,结构呈现出完全的非晶态特征。采用楔形试样对比研究了液态置氢前后Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力,发现随着氢氩混合气氛中氢含量的增加,Zr55Cu30Ni5Al10合金的临界尺寸逐渐增加,当氢含量增加到10%时,其临界尺寸达到最大值。
　　对液态置氢后的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的脆性参数和临界冷却速度的研究表明,置氢的Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金相对于其未置氢时具有更小的脆性参数和临界冷却速度。此外,还对比了置氢前后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的吉布斯自由能差的变化,发现置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金具有更低的吉布斯自由能差,从动力学与热力学的角度解释了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金具有更大玻璃形成能力的原因。
　　根据正电子湮没寿命(PALS)研究结果,并结合硬球无规密堆模型中的Bernal孔洞结构,研究了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的结构变化。研究表明Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金中存在三种湮没寿命成分,说明合金中存在三种不同尺寸的结构缺陷,对应的非晶结构分别为密堆垛结构中的间隙位置、流动缺陷位置与亚纳米孔洞。密堆垛结构中间隙缺陷浓度的增加,说明置氢后扩大了非晶合金中有效的堆垛区域,从而形成更加有效的致密堆垛,从结构的角度解释了Zr55Cu30Ni5Al10合金的玻璃形成能力提高的原因。
　　研究了液态置氢后Zr55Cu30Ni5Al10与Zr57Al10Cu15.4Ni12.6Nb5两种块体非晶合金的室温力学性能,发现室温压缩塑性不但没有降低,反而有很大程度的提高。氢致塑性的增加归因于氢在非晶合金中形成了一些应力集中区,这些区域导致了剪切带的增殖与稳定化,从而起到弱化高度局域化的剪切变形,使非晶合金具有更大的塑性应变。

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Contents

第1章 绪 论

1.1课题目的和意义

1.2块体非晶合金形成原理

1.3块体非晶合金的变形机制

1.4氢净化合金熔体的研究

1.5 氢对非晶合金的影响

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 液态置氢技术

2.2 分析测试方法

第3章 液态置氢对非晶合金中氧含量的影响

3.1 前言

3.2 液态置氢除氧技术

3.3 液态置氢后非晶合金中氧含量的变化

3.4 氢致脱氧后热物参数的变化

3.5 液态置氢后非晶合金中组织与结构的变化

3.6 氢致脱氧机理分析

3.7 本章小结

第4章 液态置氢对非晶合金形成能力的影响

4.1 前言

4.2 液态置氢对Zr55Cu30Ni5Al10合金凝固组织的影响

4.3 液态置氢对Zr55Cu30Ni5Al10合金相结构的影响

4.4 液态置氢非晶合金的相对玻璃形成能力

4.5 液态置氢对Zr55Cu30Ni5Al10合金热物性质的影响

4.6 讨论

4.7 本章小结

第5章 液态置氢对非晶合金熔体性质与结构的影响

5.1 前言

5.2 液态置氢对过冷熔体黏度的影响

5.3 液态置氢对脆性参数的影响

5.4 液态置氢对临界冷却速度的影响

5.5 液态置氢对吉布斯自由能差的影响

5.6 液态置氢对非晶合金结构的影响

5.7本章小结

第6章 液态置氢对非晶合金力学性能的影响

6.1 前言

6.2 液态置氢对非晶合金室温压缩性能的影响

6.3 液态置氢对非晶合金弯曲行为的影响

6.4 液态置氢对非晶合金阻尼性能的影响

6.5 氢致塑性的讨论

6.6 本章小结

结论

创 新 点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历