钴基块体非晶合金的制备及磁学与力学性能研究

摘要

相较于其他非晶合金，钴基块体非晶合金具有优良的磁学性能，即高饱和磁化强度、高有效磁导率和低矫顽力。且还具有优异的力学性能，即高断裂强度和高硬度。由于其优异的磁学与力学性能，使Co基块体非晶合金在工程应用中受到了广泛的关注。然而，由于Co基块体非晶合金的宏观塑性变形能力非常有限，甚至在室温附近的形变没有出现宏观塑性，通常发生剪切带的失稳扩展，导致灾难性断裂，这在一定程度上阻碍了其作为新型结构与功能材料的广泛应用。因此，在保持良好的软磁性能和非晶形成能力的同时，提高钴基块体非晶合金的室温塑性变形能力是迫切需要的。这也是本文的研究重点。 本文选择了Co-Fe-B-Si-Nb合金体系为研究对象，研究了Ni、Cu元素以及同时添加这两种元素对该块体非晶合金体系的非晶形成能力、微观结构、磁学和力学性能的影响，并对添加元素作用的内在机理进行了较为详细的分析，研究工作主要包括： (1)采用Ni元素添加替代Fe或Co元素，研究了Ni元素含量对(Co1-x-yFexNiy)68B21.9Si5.1Nb5块体非晶合金热学性能、磁学性能和力学性能的影响。研究发现随着Ni元素的添加一定程度上降低了合金的饱和磁化强度，但明显提高了该合金的塑性变形能力，从0.8％提升到3.8％，且其压缩断裂强度均在4000MPa以上。结合合金断面SEM图像分析得出，塑性变形的出现是由在压缩过程中多重剪切带和丰富的脉状花纹造成的。由于Ni元素的添加增大了合金系的泊松比和降低了G/K值，促进了剪切转变区的增多并使合金具有更好的抗断裂能力，从而更易于发生塑性变形；另外，低Tg对应着剪切模量的下降，意味着合金系易于发生剪切变形。而窄?T的非晶合金很容易发生变形-诱导微观结构的变化。因此，Ni的添加提高了该合金系塑性变形能力。 (2)探索了Cu元素的添加对[(Co0.7Fe0.3)0.68B0.219Si0.051Nb0.05]100-xCux结构和性能的影响。通过普通铜模铸造法制备出了临界直径为3.5-5.5mm的块体非晶棒材。随着Cu元素的增加，合金的DSC曲线逐渐向低温区移动。合金系具有良好的磁学性能，饱和磁化强度在0.69T到0.73T之间，矫顽力在0.78A/m到1.85A/m之间；并且，合金具有高的强度，其值均在4300MPa以上，塑性从0.8％提高到2.5％。分析发现其磁学性能和力学性能与其内部原子团簇结构密切相关。Cu元素适量添加能够促进Fe-Fe、Co-Co原子对的成键，形成纳米尺度的α-(Fe,Co)析出相，从而提高了合金的饱和磁化强度；另外，α-(Fe,Co)的存在有效地改善了合金的塑性。结合SEM图片可以看出，在断裂表面产生了丰富的脉状花纹，并在试样的侧面形成了高密度的多重剪切带。 (3)研究了同时添加Ni和Cu元素对(Co0.7Fe0.2Ni0.1)68-xB21.9Si5.1Nb5Cux块体非晶合金微观结构及性能的影响。该合金体系具有较高饱和磁化强度，其值在0.48-0.60T之间；低矫顽力，其值在0.41-2.11A/m之间。且还具有优异的力学性能，如超高的强度：4275-4770MPa，大的塑性：0.8-5.5％，并观察到了明显的加工硬化现象。成功制备出的(Co0.7Fe0.2Ni0.1)67.7B21.9Si5.1Nb5Cu0.3块体非晶合金兼具了高饱和磁化强度、低矫顽力、超高强度和大塑性。对其微观结构分析得知，合适的第二相α-(Fe,Co)与非晶基体的尺寸比和体积分数能够大大改善该块体非晶合金的塑性。另外，高泊松比和低G/K值的Ni和Cu的同时添加降低了剪切带开动的势垒，阻碍了裂纹的形成，促进了多重剪切带的产生，提高了合金的剪切变形能力；而低的Tg对应着小的剪切模量，意味着低的剪切激活能，使块体非晶合金更倾向于剪切变形。

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