Cu-Ti基块体非晶合金玻璃形成能力、合金化效应及性能研究

摘要

本文采用熔炼一吸铸法制备了Cu47Ti34Zr11Ni8 系列块体非晶合金，采用多种实验手段及相关理论着重研究了合金的玻璃形成能力、合金元素对玻璃形成能力与热稳定性的影响、力学性能、摩擦学性能等，主要内容包括： 1．采用熔炼一吸铸法制备了Cu47Ti34Zr11Ni8 块体非晶合金样品，研究了其玻璃形成能力、自由能表达式，采用热膨胀法研究了合金的原子作用势，发现该合金的费米面稍稍溢过伪布里渊区，满足Hume-Rothery 规律；在深过冷区间，Thompson-Spaepen公式与Lad2公式可以较好描述过冷液相与晶体相的自由能差；块体非晶合金的结构弛豫温度Tr与原子间作用势u<,0>成正比，而玻璃转变温度Tg与U<,0>的关系与玻璃转变的物理本质有关； 2．制备了(Cu47Ti34Zr11Ni8)(100-x) Mx 合金样品(M=Al，Be，Si，Nb，Fe，Co；x=1，2,4)，研究了合金元素的影响规律，发现采用熔炼—吸铸法可以制备0.5mm厚的板状(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M(M=Al，Be，Si，Nb，Fe，Co)块体非晶合金样品，Si的加入使合金的△Tx、Trg、γ和K<,H>提高，玻璃形成能力增强；Al、Be、Co、Fe、Nb的加入使合金的△Tx、Trg、γ和K<,H>下降，玻璃形成能力下降；(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M 块体非晶合金的玻璃形成能力与非晶形成焓成反比，而晶化激活能与原子尺寸参量δ成正比； 3．测定了Cu47Ti34Zr11Ni8 系列块体非晶合金的弯曲与压缩性能，分析了断口与微观组织。Cu47Ti34Zr11Ni8 块体非晶合金具有良好的力学性能，其弯曲强度与压缩强度分别为2350MPa和1731MPa，断口为典型的脉络状花样，淬火态微米级晶体的出现使合金的强度下降；Si或Al加入合金后形成了非晶/纳米晶结构，使力学性能提高，弯曲强度从2 350MPa分别提高至3 260 MPa和2 970MPa，压缩强度从1 731MPa分别提高至1 894MPa和1 862MPa；Nb 加入合金后在非晶基体中也形成了少量纳米级晶体相，但这些纳米晶体相聚集生长，使合金的压缩强度下降为1608MPa； 4．测定了铜基与锆基块体非晶合金的摩擦学性能，采用闪温解释了非晶合金的磨损机制。在实验条件下，块体非晶合金—SUS304不锈钢摩擦配副的磨损量大于非晶合金—Si<,3>N<,4> 陶瓷摩擦配副；载荷增大使稳态摩擦系数与磨损速率都增加；在干摩擦、生理盐水、血浆润滑、蒸馏水润滑四种实验条件下，铜基块体非晶合金的耐磨性均优于锆基块体非晶合金；块体非晶合金摩擦磨损失效的重要特征是磨粒磨损、粘性流动与物质转移；非晶合金的硬度、导热能力、玻璃转变温度和晶化温度决定了耐磨性能的差异，而不同条件下耐磨性能的差异则取决于润滑剂传输摩擦热、降低局域温度的能力。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1块体非晶合金的发展历史与合金体系

1.2大块非晶合金的成分设计准则

1.2.1“混乱”原则

1.2.2 Inoue经验准则

1.2.3原子堆积准则

1.2.4电子浓度(e/a)准则

1.3大块非晶合金形成的判据

1.3.1 临界冷却速率Rc

1.3.2约化玻璃转变温度Trg

1.3.3过冷液相区△Tx

1.3.4γ判据

1.4大块非晶合金的制备方法

1.4.1快速凝固法

1.4.2高压模铸法

1.4.3磁悬浮熔炼

1.4.4静电悬浮熔炼

1.4.5吸铸法

1.4.6电弧熔炼

1.4.7水淬

1.4.8定向凝固

1.4.9金属模浇铸法

1.5大块非晶合金的性能与应用

1.5.1大块非晶合金的性能

1.5.2大块非晶合金的应用

1.6大块非晶合金基复合材料

1.6.1外加颗粒

1.6.2纤维增强金属玻璃基复合材料

1.6.3内生陶瓷颗粒

1.6.4内生塑性晶相

1.6.5内生纳米晶相

1.7铜基块体非晶合金的研究现状

1.8选题的意义、研究内容与拟解决的关键问题

参考文献

第二章实验方案与实验过程

2.1实验方案

2.2样品制备

2.3检测

2.3.1组织与结构特征

2.3.2热稳定性及晶化动力学

2.3.3硬度、弯曲与压缩性能

2.3.4摩擦学性能

第三章Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金的形成及其特性

3.1 Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金的制备与形成

3.1.1制备工艺

3.1.2组织特征

3.1.3结构特性

3.1.4有效原子作用势

3.1.5 Hume-Rothery规律

3.2 Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金的特征温度、晶化动力学与热稳定性

3.2.1特征温度

3.2.2晶化动力学

3.2.3热稳定性

3.3 Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金形成的热力学与动力学

3.3.1 Cu-Ti-Zr-Ni体系过冷液态与晶体相自由能差估算

3.3.2 Cu-Ti-Zr-Ni体系相图特征

3.3.3 Cu-Ti-Zr-Ni体系的动力学因素

3.4本章小结

参考文献

第四章合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金玻璃形成能力与热稳定性的影响

4.1合金元素的选择

4.2(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M块体非晶合金的形成

4.3(Cu47Ti34Zr11Ni8)99M块体非晶合金的玻璃形成能力

4.4(Cu47Ti34Zr11Ni8)98M2合金与(Cu47Ti34Zr11Ni8)96M4合金的组织

4.5合金元素对晶化动力学行为的影响

4.6合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金热稳定性的影响

4.7合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金影响机制的讨论

4.8本章小结

参考文献

第五章合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金力学性能的影响

5.1合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8系块体非晶合金弯曲性能的影响

5.1.1弯曲性能

5.1.2断口形貌

5.2合金元素对Cu47Ti34Zr11Ni8系块体非晶合金压缩性能的影响

5.2.1压缩性能

5.2.2断口形貌

5.3合金元素提高Cu47Ti34Zr11Ni8系块体非晶合金性能的组织原因

5.3.1微观组织

5.3.2非晶/纳米晶结构强化机制讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章块体非晶合金摩擦磨损性能研究

6.1摩擦副材料对块体非晶合金干摩擦性能的影响

6.2载荷对块体非晶合金/陶瓷摩擦配副水润滑条件下摩擦学性能的影响

6.3块体非晶合金的生物摩擦学性能

6.4基于闪温的块体非晶合金摩擦磨损失效机制分析

6.5本章小结

参考文献

第七章总结论

致谢

攻读博士学位期间取得的主要成果