基于团簇加连接原子模型的Zr-Ni-Al系块体金属玻璃成分设计和力学性能研究

摘要

成分设计和力学性能研究是块体金属玻璃研究的基础问题。开发具有大玻璃形成能力和高强度、大塑性的块体金属玻璃是该领域的研究目标之一。团簇加连接原子模型作为一种成分设计思想，已被成功应用到许多体系的块体金属玻璃成分设计中。该模型将金属玻璃看作由团簇和连接原子两类结构单元构成，团簇为基于特定原子的第一近邻配位多面体，而连接原子填补团簇间的间隙，相应的，金属玻璃的成分与结构信息可用团簇成分式统一表述成:[团簇]（连接原子）x～1，3。本论文以该模型为指导，系统研究了Zr-Ni-Al三元基础非晶体系合金的玻璃形成能力和力学性能，并从团簇加连接原子模型角度探讨了该体系块体金属玻璃合金的力学性能与结构的关系。同时，对Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多组元Zr基块体金属玻璃的力学性能进行了研究。论文主要内容如下:
　　首先，基于团簇加连接原子模型，从Zr-Ni-Al系金属玻璃的三种常见晶化相——(-)Al2NiZr6、NiZr2(NiTi2-type)和NiZr2(Al2Cu-type)中提取可代表各相结构特征的三类团簇(即CN11 Ni3Zr9、CN12 Ni4Zr9和CN10 Ni3Zr8)作为基础团簇，建立团簇式进行成分设计，获得三个系列合金成分:Ni3Zr9Alx、Ni4Zr9Alx和Ni3Zr8Alx，x=1、1.5、2、3，同时，类比配制Ni3Zr6Alx、Ni3Zr7Alx和Ni3Zr10Alx系列合金作为比较成分。利用不同内径铜模通过真空吸铸法制备上述六系列合金的铸态合金棒，对其进行结构和热分析测试与表征。结果表明，除Ni3Zr6Al3成分外，其余合金金属玻璃形成的临界直径都达到3mm以上。其中，Ni4Zr9Al2（即Zr60Ni26.7Al13.3，at％）玻璃形成能力最佳，其形成玻璃的临界直径达10mm，在同等制备条件下高于已报道的Zr60Ni25Al15最优成分;其过冷液相宽度⊿Tx、约化玻璃转变温度Trg和γm值分别为68 K、0.579和0.689，也优于Zr60Ni25Al15(⊿Tx=68 K，Trg=0.568，γm=0.676)。进一步电子浓度和团簇式解析表明，Ni4Zr9Al2符合基于Ni3Zr9团簇加三个连接原子的金属玻璃通用团簇式:[Ni3Zr9](Al2Ni)。
　　其次，3mm样品的室温压缩和维氏硬度结果表明，随Al、Ni含量的增加，Zr-Ni-Al块体金属玻璃的屈服强度σy、杨氏模量E和维氏硬度Hv增大。同时发现，这些合金的力学性能与其玻璃转变温度Tg、晶化温度Tx、摩尔体积V以及原子密度ρa存在密切关联。依据电子浓度和金属玻璃通用团簇式判据，总体上可将本文涉及的Zr-Ni-Al块体金属玻璃成分分成两种类型:一种是基于Ni3Zr9团簇加三个连接原子团簇式的;另一类属于Ni3Zr8团簇加一个连接原子的形式;结合元素间混合焓数据，可估算各合金三类键合的相互作用强度I，分别为:团簇的中心原子与壳层原子间的键合Icenter-shell、相邻团簇壳层原子间的键合Ishell-shell和连接原子与壳层原子键合Iglue-shell。研究表明Zr-Ni-Al块体金属玻璃的力学性能与其键合参数（1/Icenter-shell+1/Ishell-shell+1/Iglue-shell）呈良好的线性关联，其中最弱的Ishell-shell是决定块体金属玻璃力学性能的主因。据此，本论文提出一种并联弹簧振子模型阐释了金属玻璃的结构与其强度间的关联。
　　最后，研究了满足Ni4Zr9团簇加一个连接原子团簇式的Zr基Zr-Al-Ni-Cu-(Nb)多元块体金属玻璃的力学性能。探讨了合金化元素Nb对Zr65Al10Ni10Cu15块体金属玻璃力学性能的影响规律，研究了(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3块体金属玻璃在不同结构状态下的热学与力学性能。结果表明，Nb的加入可有效提高合金屈服强度并影响变形能力，其中含2at.％ Nb的块体金属玻璃室温变形能力最高，其压缩时的塑性变形达12.7％。(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3块体金属玻璃经退火处理，导致其玻璃态结构逐步失稳并引发初始晶化温度下降和过冷液相区变窄，而屈服强度和杨氏模量稍有增大，但室温塑变能力明显下降，其压缩塑变由8％降至几乎消失。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 金属玻璃的形成与发展

1．1．1 金属玻璃的发展历史

1．1．2 金属玻璃形成的热力学和动力学

1．1．3 玻璃形成能力表征

1．1．4 金属玻璃的晶化

1．2 金属玻璃的力学行为

1．3 金属玻璃的原子结构

1．3．1 硬球无规密堆模型

1．3．2 Gaskell连续无规网格模型

1．3．3 FCC／HCP密堆团簇模型

1．3．4 准等同团簇模型

1．4 金属玻璃结构与性能的关联

1．4．1 玻璃形成能力与热力学和动力学

1．4．2 强度与Tg

1．4．3 塑性与泊松比

1．5 金属玻璃的成分设计方法

1．5．1 共晶点准则

1．5．2 Inoue准则

1．5．3 微合金化准则

1．5．4 团簇加连接原子模型

1．6 本文立题依据及主要内容

2 Zr-Ni-Al块体金属玻璃的成分优化

2．1 团簇选取

2．2 选择主团簇

2．3 成分设计

2．4 实验方法

2．4．1 合金配制

2．4．2 合金制备

2．4．3 合金性能检测

2．5 实验结果与分析

2．5．1 玻璃形成能力表征

2．5．2 热稳定性分析

2．5．3 电子浓度与团簇式解析

2．6 本章小结

3 Zr-Ni-Al块体金属玻璃力学性能表征

3．1 实验方法

3．2 室温压缩行为

3．3 成分对力学性能的影响

3．4 热参数对力学性能的影响

3．5 Zr-Ni-Al块体金属玻璃的团簇式

3．5．1 计算电子浓度e／a和团簇式中原子个数Z

3．5．2 结构参数与力学性能的关系

3．6 团簇结构与力学性能的关联

3．6．1 用混合焓评价键的结合强度

3．6．2 团簇式中的相互作用与力学性能的关联

3．7 本章小结

4 Zr-Al-Ni-Cu-Nb块体金属玻璃力学性能

4．1 实验方法

4．2 铸态(Zr65Al10Ni10Cu15)100-xNbx(x=0，1，2，3，5，7，10)块体金属玻璃的力学性能

4．2．1 电子浓度和团簇式解析

4．2．2 Nb含量对力学性能的影响

4．2．3 原子密度对力学性能的影响

4．3 不同结构状态下(Zr65Al10Ni10Cu15)97Nb3的力学性能

4．3．1 铸态和退火态合金的热稳定性

4．3．2 退火态合金结构

4．3．3 室温压缩力学性能

4．3．4 分析与讨论

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介