铁基金属玻璃动力学特性及断裂损伤机理研究

摘要

铁基金属玻璃具有优异的力学、磁学及电化学等性能,在结构、功能、环保等领域具有广泛的应用前景。运用动力学研究金属玻璃是当前力学领域的热点,对于认识铁基金属玻璃高强度、大塑性等性能的起源具有重要意义。本文通过对铁基金属玻璃形成、演化的动力学进行分析,结合高分辨电子显微镜、拉曼光谱及光电子能谱等实验,系统研究了铁基金属玻璃动力学特性及断裂损伤机理,主要工作包括:
　　(1)利用动力学理论和能谱分析实验研究了(Fe0.71Dy0.05B0.24)96Nb4金属玻璃的玻璃转变行为,揭露其过冷液相区出现峰值的原因,发现组元混合焓和原子半径存在较大差异时,组分在局部聚集或者分散,系统处于较高能量状态,这种不均匀结构弛豫时释放能量,形成过冷液相区的峰;组分不均匀导致系统的熵增加,结晶驱动力降低,利于非晶形成能力的提高;它还能够促进剪切带繁殖、形成多重剪切带、改善金属玻璃室温压缩塑性。
　　(2)从晶化动力学出发,建立晶核生长理论模型,揭示了铁基金属玻璃晶粒尺寸随退火温度的变化规律;研究了淬态铁基金属玻璃微观组织结构不均匀对软磁性能的影响;揭示了铁基金属玻璃磁导率、磁致伸缩系数等随退火条件变化的机理;利用元素添加实现了对铁基金属玻璃软磁性能的调控。
　　(3)引入两个爱因斯坦振动模,提出了金属玻璃波色峰的动力学机制;发现金属玻璃溶剂原子、短程有序团簇和中程有序团簇的尺寸比例约为1:3:7;探究了金属玻璃具有大弹性极限的原因,认为金属玻璃团簇类似于橡胶分子,在外力作用下通过相对旋转耗散能量;发现金属玻璃杨氏模量和断裂强度与溶剂原子直径的三次方成反比。
　　(4)发现铁基金属玻璃断裂形貌具有自相似特征,引入分形几何提出金属玻璃的强度理论;揭示了金属玻璃强度随样品尺寸增加而降低的机理;研发了塑性应变超过20％的Fe50Ni30P13C7金属玻璃,是目前室温压缩塑性最大的铁基金属玻璃;利用光电子能谱等实验提出可描述金属玻璃形变和断裂微观过程的原子键合模型,揭示了Fe-Ni-P-C体系的韧脆转变机制。

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变量注释表

1 绪论

1.1金属玻璃及其发展历史(Metallic Glasses and the Development History)

1.2金属玻璃形成的机理(Formation Mechanism of Metallic Glasses)

1.3金属玻璃的结构(Structure of Metallic Glasses)

1.4金属玻璃的性能及应用(Properties and Applications of Metallic Glasses)

1.5铁基金属玻璃的研究现状及存在问题(Research Status and the Problems of Fe-based Metallic Glasses)

1.6本文研究内容和技术路线(Research Contents and Technique Approaches)

2 铁基金属玻璃反常玻璃转变行为的动力学机制

2.1 引言 (Introduction)

2.2实验方法(Experimental Details)

2.3 铁基金属玻璃反常玻璃转变的动力学起源 (Dynamic Mechanism of Abnormal Glass Transition Behavior for Fe-based Metallic Glasses)

2.4 金属玻璃反常玻璃转变行为与非晶形成能力之间的关联Relationship between Abnormal Glass Transition Behavior and Glass-forming Ability of Metallic Glasses)

2.5 金属玻璃反常玻璃转变行为与室温压缩塑性之间的关联Relationship between Abnormal Glass Transition Behavior and Compressive Plasticity of Metallic Glasses)

2.6 本章小结 (Summary)

3 铁基金属玻璃的晶化动力学及软磁性能

3.1 引言 (Introduction)

3.2实验方法(Experimental Details)

3.3退火对铁基金属玻璃晶粒尺寸的影响(TheEffects of Annealing on Grain Size in Fe-based Metallic Glasses)

3.4退火对铁基金属玻璃软磁性能的影响(The Effects of Annealing on Soft Magnetic Properties of Fe-based Metallic Glasses)

3.5元素替代对铁基块体金属玻璃磁性能的影响(The Effects of Element Substitutionon Magnetic Properties of Fe-based Metallic Glasses)

3.6 本章小结 (Summary)

4 铁基金属玻璃的低频动力学特性、非晶结构和力学性能的关联

4.1 引言 (Introduction)

4.2实验方法(Experimental Details)

4.3铁基金属玻璃的低频动力学特性(Low-frequency Dynamic Propertiesof Fe-based Metallic Glasses)

4.4金属玻璃的结构模型(Structural Model of Metallic Glasses)

4.5金属玻璃的结构与力学性能的关系(Relationships between Structures and Mechanical Properties of Metallic Glasses)

4.6 本章小结 (Summary)

5 铁基金属玻璃的断裂损伤机理

5.1 引言 (Introduction)

5.2实验方法(Experimental Details)

5.3金属玻璃脆性断裂的能量耗散机制(Energy Dissipation Mechanism of Brittle Fracture for Metallic Glasses)

5.4金属玻璃断裂强度的统计理论(Statistical Theory of Fracture Strength for Metallic Glasses)

5.5铁基金属玻璃前所未有的压缩塑性(Unprecedented Plasticity of Fe-based Metallic Glasses)

5.6铁基金属玻璃的韧脆转变机制(Mechanism of Brittle to Ductile Transition in Fe-based Metallic Glasses)

5.7 本章小结 (Summary)

6 全文总结

6.1 本文主要结论

6.2 本文主要创新点及展望

参考文献

附录

作者简历

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