铁基非晶合金的磁热性能与力学性能研究

摘要

铁基非晶合金因其优异的力学性能、磁学性能和耐蚀等性能，引起人们广泛的关注。对铁基非晶合金各方面性能的研究对材料的发展及应用具有重要意义。本文以铁基非晶合金为研究对象，制备了Fe-Zr-Cu体系的非晶条带，并分别研究了其磁热性能及力学性能；为了更深入认识铁基非晶合金的力学行为，又研究了Fe-Ni-P-C块体非晶合金的力学性能。 本文首先制备了Fe91-xZr9Cux(x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)六种成分的非晶合金条带，通过用Cu置换Fe来探究Cu对铁基非晶合金磁热性能及力学性能的影响。通过X射线衍射、差示扫描量热法进行表征，选取Fe91-xZr9Cux(x=0.0,0.4,1.0)三种样品，利用磁学测量系统测试其磁热性能。研究发现，随着Cu的加入，居里温度从210K(x=0)增加到218K(x=0.4)又随着Cu进一步增加降低到214K(x=1.0)。在50kOe的磁场条件下，Fe91-xZr9Cux(x=0.0,0.4,1.0)非晶条带带的最大磁熵变(-ΔSM)max分别为2.79，2.75和2.88J·kg-1·K-1。Fe91-xZr9Cux(x=0.0,0.4,1.0)非晶条带的磁制冷能力(RC)分别为120，121和114J·kg-1。研究表明，适量的Cu取代可以提高Fe基非晶合金的RC和(-ΔSM)max。 其次，在得到Fe91-xZr9Cux(x=0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)六种非晶条带后，对这几种条带进行了拉伸力学实验，发现几种条带的断裂强度分别为1752，1440，1355，1531，1107和1221MPa。维氏硬度大小分别为726，719，728，702，719和723HV，没有明显的规律变化。之后用熔体抽拉法制备出Fe91Zr9的非晶丝进行拉伸，断裂强度约为1600MPa，与条带对比发现应力应变曲线的斜率较为接近，其强度极限与弹性极限略低于条带可能是因为样品中存在一定缺陷。 最后，为进一步研究块体铁基非晶合金的力学性能，通过调节助熔剂得到了大塑性的Fe70Ni10P13C7和Fe60Ni20P13C7块体非晶合金。研究表明，这两种铁基块体非晶合金的塑性可能由Fe-Ni和Ni-Ni的金属-金属键决定，这使得这种非晶合金在单轴压缩条件下能够承受超过50％的应变而不发生断裂，并且在室温下可以弯曲。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1概述 (Introduction)

1.2 非晶合金的制备方法 (Preparing Methods of Amorphous Alloys)

1.3 非晶合金形成能力及经验判据 (Glass-forming Ability and Criteria of Amorphous Alloys)

1.3.1 过冷液相区

1.3.2 约化玻璃转变温度

1.3.3 γ参数

1.3.4 非晶合金的形成规律

1.4.1 磁学性能

1.4.2 力学性能

1.4.3 其他性能

1.5.1 铁基非晶合金的发展

1.5.2 铁基非晶合金的应用

1.6 本文主要工作 (Main Content of this Research)

2 实验方法

2.1.1 母合金的制备

2.1.2 非晶条带与非晶丝的制备

2.1.3水淬法制备块体非晶合金

2.2 非晶合金结构的表征及热力学测试 (Characterization of Amorphous Structure and Thermodynamic Properties Measurements)

2.2.1 结构的表征

2.2.2 热力学测试

2.3 磁热性能测试 (Magnetocaloric Properties Measurements)

2.4.1 拉伸、压缩及弯曲实验

2.4.2 硬度测试

2.5 样品表面形貌观察 (Sample Surface Morphology Observation)

3 Fe-Zr-Cu非晶合金的磁热性能

3.1 引言 (Introduction)

3.2 Fe-Zr-Cu 非晶合金的制备及表征 (Preparation and Characterization of Fe-Zr-Cu Amorphous Structure)

3.3 Fe-Zr-Cu非晶合金的晶化动力学 (Crystallization Kinetics of Fe-Zr-Cu Amorphous Alloys )

3.4 Fe-Zr-Cu 非晶合金的磁性能 (Magnetic of Fe-Zr-Cu Amorphous Alloys)

3.5 Fe-Zr-Cu 非晶合金的磁熵变与磁制冷性能 (Magnetic Entropy and Refrigeration of Fe-Zr-Cu Amorphous Alloys)

3.6 本章小结 (Summary)

4 Fe-Zr-Cu非晶合金的力学性能

4.1 引言 (Introduction)

4.2 Cu置换Fe对Fe-Zr-Cu非晶合金力学性能影响 (Effects of Cu Substitution of Fe on Mechanical Properties of Fe-Zr-Cu Amorphous Alloys)

4.2.1 拉伸实验

4.2.2 维氏硬度

4.3 形态不同对 Fe-Zr-Cu 非晶合金力学性能的影响 (Effects of Different Morphology on Mechanical Properties of Fe-Zr-Cu Amorphous Alloys)

4.4 本章小结 (Summary)

5 Fe-Ni-P-C块体非晶合金的塑性

5.1引言 (Introduction)

5.2 Fe-Ni-P-C 块体非晶合金的制备及表征 (Preparation and Characterization of Fe-Ni-P-C Bulk Amorphous Alloys)

5.3 Fe-Ni-P-C块体非晶合金的塑性 (Plasticity of Fe-Ni-P-C Bulk Amorphous Alloys)

5.4 不同助熔方法对Fe-Ni-P-C块体非晶合金的影响 (Effects of Different Fluxing Methods on Fe-Ni-P-C Bulk Amorphous Alloys)

5.5 本章小结 (Summary)

6 总结

参考文献

作者简历

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