基于纳米压痕实验的Fe基、Pd基和ZrCu基块体非晶合金的微观力学行为研究

摘要

块体非晶合金由于其独特的内部微观结构，具有优异的物理、化学和力学性能，在机械、电子、国防和航空等领域有着广阔的应用前景。近几年来，随着块体非晶合金在实际工程中得到越来越多的应用，块体非晶合金的研究引起了学界的广泛关注。目前，人们已经成功开发出多种块体非晶合金系，有的已在实际工程中得到了很好的应用，但大部分块体非晶合金在室温条件下表现出较低的室温塑性变形能力。这一瓶颈问题严重影响了块体非晶合金的大规模工程应用，如何改善块体非晶合金的力学性能成为了领域内近期研究的热点问题之一。本文以 Pd40Cu30Ni10P20、Zr48Cu32Ni4Al8Ag8、Zr48Cu34Pd2Al8Ag8和[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4四种块体非晶合金为研究对象，利用纳米压入法对以上四种块体非晶合金在不同加载条件下的硬度、约化模量以及纳米压痕下的锯齿流变行为、蠕变、蠕变柔量、延迟谱等力学性能进行了表征和分析，以期得到一些对改善块体非晶合金力学性能有益的结论。
　　本研究主要内容包括：⑴随着荷载的增大，四种块体非晶合金的压头深度增加硬度和约化模量减小，其中[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4块体非晶合金的硬度和约化模量减小最明显;在0.2至10mNs-1整个范围内，四者的硬度表现出惊人的相似性，即当加载速率小于1 mNs-1时，硬度有一点减小，大于等于1mNs-1时几乎没有变化。⑵随着压痕试验加载速率的增加，四种块体非晶合金的约化模量表现出不同的变化趋势。对于Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金，当加载速率较小时(小于1 mNs-1)约化模量锐减，而当加载速率继续增大，它的约化模量几乎无变化。[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4块体非晶合金、Pd40Cu30Ni10P20块体非晶合金和Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金的约化模量呈现出明显的速率相关性。有趣的是[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4块体非晶合金在加载速率为10 mNs-1时，约化模量有一点点增大。⑶讨论了加载速率和化学成分组成对块体非晶合金锯齿行为的影响。结果表明：相同的加载速率下四种块体非晶合金的锯齿塑性流动是不同的；Pd40Cu30Ni10P20块体非晶合金的塑性流动比 Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金的更为明显，而Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金和[(Fe0.6Co0.4)0.75B0.2Si0.05]96Nb4块体非晶合金几乎不具有锯齿塑性流动；Pd40Cu30Ni10P20块体非晶合金的锯齿流动在较低的加载速率下较明显，且 pop-in的平台随着加载速率的减小而逐渐增大，随着压痕深度的增加， Pd40Cu30Ni10P20块体非晶合金的pop-in尺寸也增加；相同的压痕应变速率时， Pd40Cu30Ni10P20块体非晶合金的应变速率峰值比 Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金的更为显著，并且它们的量级受到压痕应变率的影响。⑷分析了最大荷载和加载速率对 Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金和Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金的室温纳米压痕蠕变行为的影响。⑸利用经验公式和广义Kelvin模型拟合了两种ZrCu基块体非晶合金的蠕变位移实验数据；基于经验公式拟合曲线计算了 Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金和Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金的应力指数；基于广义 Kelvin模型拟合曲线计算了Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金和 Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金的蠕变柔量和延迟谱；讨论了Zr48Cu32Ni4Al8Ag8块体非晶合金和Zr48Cu34Pd2Al8Ag8块体非晶合金的应力指数、蠕变柔量和延迟谱随加载速率和最大载荷的变化规律及其差异性，并利用自由体积理论对这些变化规律给予了解释。

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第1章 绪 论

1.1 非晶合金

1.2 玻璃形成能力（Glass Forming Ability）

1.3 塑性变形

1.4 本文的主要内容和意义

第2章 纳米压痕实验原理及实验

2.1 纳米压痕实验原理

2.2 纳米压痕实验

第3章 块体非晶合金的变形行为分析

3.1 引言

3.2 硬度和约化模量

3.3 块体非晶合金的锯齿行为

3.4 本章小结

第4章 块体非晶合金纳米压痕蠕变行为

4.1 引言

4.2 纳米压痕实验蠕变行为的结果与分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录(攻读硕士学位期间发表的学术论文)