Fe78Si9B13非晶合金及Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的变形行为

摘要

Fe78Si9B13非晶合金是20世纪70年代发现的一种新型亚稳态软磁材料,它以优异的磁性能和低廉的成本引起了人们的高度重视。这种材料具有高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损、频散特性好等优点，被公认为是目前综合性能最好的软磁材料。在这以后的二三十年的时间里，Fe78Si9B13非晶合金的氧化行为、晶化行为对磁性性能的影响、晶化产物及其微观组织、晶化致脆的原因以及高温粘度等方面都得到了广泛的研究与探讨。然而Fe78Si9B13非晶合金的室温断裂行为、高温变形行为以及提高其室温塑性的研究很少。非晶合金在室温变形过程中主要通过高度局域化并软化的剪切带来承担塑性应变，这导致非晶材料的脆性断裂，从而严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。所以，改善非晶合金的塑性和韧性是非晶合金研究与开发的热点，本文通过制备Fe78Si9B13/Ni层状复合材料来提高Fe78Si9B13非晶合金的塑性。
　　对Fe78Si9B13非晶合金带在远低于其晶化温度(Tx=540℃)范围内的弯曲应力松弛成形进行了研究，分析了应力松弛的温度、时间以及预退火对松弛行为的影响，应力松弛规律可以依据自由体积模型来解释。运用XRD、原子力显微镜(AFM)、TEM以及显微硬度测试仪分析了在应力松弛成形过程中微观组织和显微硬度的变化。Fe78Si9B13非晶合金带在300℃应力松弛过程中出现了纳米FeSi和α-Fe晶体相。非晶带在远低于Tx的温度下能够部分发生纳米晶化，这是由于温度和应力共同的作用。析出的纳米晶体嵌入在非晶基体内，起到了显著的增强作用，应力松弛后的样品硬度得到很大的提高。通过简单的试验区分了粘性流动和滞弹性应变的变化规律，并且可以分别依据非晶合金结构驰豫过程中的拓扑短程有序(TSRO)和化学短程有序(CSRO)来分析解释。
　　进行了Fe78Si9B13非晶合金带室温单向拉伸试验，并运用扫描电子显微镜(SEM)观察了断口表面的形貌，研究了试验样品的尺寸以及拉伸速率对断口形貌的影响。Fe78Si9B13非晶合金带的断裂过程分析结果表明其断裂机制符合椭圆模型。Fe78Si9B13非晶合金带的断口形貌由三个区域构成：镜面区、模糊区以及河流花样区，纳米级破坏孔洞是主要的断裂特征，在镜面区发现周期性纳米条纹，条纹的波长约为125nm，样品尺寸的大小和拉伸速率对波长的大小几乎没有影响。
　　在430℃～530℃的温度范围和8.33×10-4s-1的初始应变速率通过单向拉伸试验研究了Fe78Si9B13非晶合金带在高温下的塑性变形行为。运用了XRD、SEM分析了拉伸后试样微观组织的变化。在500℃延伸率达到36.3％，非晶带表现出良好的高温塑性变形性能。通过气压自由胀形试验研究了Fe78Si9B13非晶合金带的高温塑性成形性能。在胀形温度为500℃、气压压力为3.4MPa、保压时间为30min的条件下，胀形件的相对胀形高度达到0.45，厚度分布均匀。
　　采用脉冲电沉积的方法制备了Fe78Si9B13/Ni层状复合材料，三层复合板为Ni/Fe78Si9B13/Ni层状结构。Ni层的晶粒尺寸平均约为50nm。运用SEM自带的能谱分析以及线分析技术研究了层状复合材料的界面，表明在电沉积的过程中，Fe78Si9B13和Ni层的原子发生了互相扩散，使非晶层和纳米Ni层具有良好的界面结合。Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的室温断裂强度达到2090MPa，断裂伸长率达到8.5%，其伸长率远大于单相非晶带的伸长率(1.39%)，达到了通过制备层状复合材料来提高非晶带塑性的目的。
　　进行了Fe78Si9B13/Ni层状复合材料高温单向拉伸试验，研究了变形温度、初始应变速率以及Ni层的体积分数对高温拉伸行为的影响。在拉伸温度为450℃、初始应变速率为8.33×10-4s-1、Ni层的体积分数为0.77的条件下，Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的延伸率达到了115.5%，远大于单相Fe78Si9B13非晶合金的高温延伸率(36.3%)。通过胀形试验研究了Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的高温成形性能。在450℃、气压压力为4MPa、保压时间为30min的条件下，获得了表面质量良好的胀形件，相对胀形高度达到了0.4。

目录

FeB78BSiB9BBB13B非晶合金及FeB78BSiB9BBB13B/Ni层状复合材料的变形行为

DEFORMATION BEHAVIOR OF AMORPHOUS Fe78Si9B13 ALLOY AND Fe78Si9B13/Ni LAMINATED COMPOSITE

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

课题背景

非晶合金的开发历程

非晶合金的结构特征

非晶合金的结构

非晶合金的结构模型

非晶合金的制备方法

非晶合金的性能及应用

Fe78Si9B13非晶合金的研究进展

Fe-Si-B非晶合金的局部原子结构

Fe78Si9B13非晶合金的粘性流变

Fe-Si-B非晶合金的晶化

Fe78Si9B13非晶合金的氧化

提高非晶合金的塑性和韧性研究进展

增强相/非晶合金复合材料

金属/非晶合金层状复合材料

中科院物理所对提高非晶合金塑性的研究

选题意义及主要研究内容

第2章 材料准备及试验方法

2.1 Fe78Si9B13非晶合金材料

2.2 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的制备

2.3 Fe78Si9B13及其层状复合材料的组织结构分析方法

2.3.1 X射线（XRD）物相分析

2.3.2 差示扫描量热(DSC)分析

2.3.3 显微组织结构分析

2.4 Fe78Si9B13及其层状复合材料的力学性能分析方法

2.4.1 显微硬度的测定

2.4.2 拉伸试验设备及方法

2.4.3 Fe78Si9B13非晶带和Fe78Si9B13/Ni复合材料的高温气胀试验

第3章 Fe78Si9B13非晶合金的应力松弛成形

3.1 引言

3.2 应力松弛成形过程中的微观组织及显微硬度的变化

3.2.1 应力松弛成形的试验过程

3.2.2 应力松弛成形的试验结果

3.2.3 应力松弛成形后的微观组织分析

3.2.4 应力松弛成形后的显微硬度变化

3.3 Fe78Si9B13非晶合金带应力松弛实验过程和变形特征

3.3.1 弯曲应力松弛的试验过程及变形的唯象描述

3.3.2 弯曲应力松弛过程中的变形特征

3.4 本章小结

第4章 Fe78Si9B13非晶合金的室温断裂

4.1 引言

4.2 拉伸试验过程

4.3 Fe78Si9B13非晶合金带室温拉伸行为

4.4 Fe78Si9B13非晶合金带室温拉伸断裂形貌及机制

4.4.1 室温拉伸断裂形貌

4.4.2 断裂形貌形成的机制

4.5 本章小结

第5章 Fe78Si9B13非晶合金的高温变形行为

5.1 引言

5.2 Fe78Si9B13非晶合金带的高温拉伸

5.2.1 试验过程

5.2.2 Fe78Si9B13非晶合金带的高温拉伸结果

5.3 Fe78Si9B13非晶合金带的高温气压胀形

5.3.1 试验过程

5.3.2 试验结果及讨论

5.4 本章小结

第6章 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的制备及室温拉伸行为

6.1 引言

6.2 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的制备

6.2.1 电沉积Ni层添加剂的选择

6.2.2 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的微观分析

6.2.3 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的界面分析

6.3 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的室温拉伸

6.3.1 室温拉伸条件

6.3.2 拉伸结果

6.4 本章小结

第7章 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的高温变形行为

7.1 引言

7.2 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的高温拉伸行为

7.2.1 试验过程

7.2.2 高温拉伸结果

7.2.3Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的高温变形机理

7.3 Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的高温气压胀形

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历