Cu-Zr二元大块金属玻璃的形成、热稳定性和微观结构不均匀性研究

摘要

以往对大块非晶合金的研究多集中在多组元合金体系，若想获得高的非晶形成能力，通常要求合金成分要大于或等于三个组元以上。二元合金由于化学组成简单，是研究非晶形成能力、晶化动力学和热稳定性的理想材料。从热力学角度，二元合金有着完备的相图，并且其共晶温度低，这些都为研究金属玻璃的形成能力提供了理想的理论模型。然而根据“混乱原理”，以及Inoue和Johnson等人总结的著名的3个经验规律，通常认为二元合金缺乏复杂的结构，仅仅通过快速冷却很难形成二元大块非晶合金。但是随着非晶研究的深入，迫切需要进一步了解二元合金形成机理。而关于二元大块非晶合金的制备与研究工作，到目前为止所见报道较少。因此，采用深过冷加急冷的手段，最大程度地实现非平衡凝固，突破三组元的限制，制备具有应用前景的二元大块非晶合金，具有重要的工程价值和科学意义。 本论文以Cu-Zr二元大块金属玻璃作为研究对象，采用XRD，DSC，HREM等手段，对这一体系的玻璃形成能力，热稳定性和微观结构不均匀现象进行了研究。具体工作如下： 首先，研究了Cu-Zr二元合金的玻璃形成能力，并发现Cu50.3Zr49.7合金的玻璃形成能力最佳，验证了γ*的预测结果。合金的最佳玻璃形成能力不在共晶点处，这与多组元和深共晶原则明显相背。因此，热力学参数γ*能比较有效地确定二元合金体系中拥有最佳玻璃形成能力的合金。 其次，研究了Cu50.3Zr49.7大块金属玻璃的长期热稳定性和晶化动力学。利用Kissinger方程和Vogel-Fulcher-Tammarm(VFT)方程分别拟合大块金属玻璃的玻璃转变温度和加热速率之间的关系，结果发现VFT非线性拟合得更好。同时，利用VFT得到的连续加热转变曲线也更符合等温测得的“温度-反应时间”关系图即TTT曲线。 最后，研究了Cu50.3Zr49.7二元大块金属玻璃铸态试样从表面到内部不同区域的不同结构。研究结果表明，冷却速率对Cu50.3Zr49.7二元大块金属玻璃的组织结构有着显著地影响，随着冷却速率的降低，Cu50.3Zr49.7二元大块金属玻璃铸态试样的微观结构经历了完全非晶态、相分离和纳米晶析出这几个阶段，并且纳米晶在相分离造成的两个不同相中分别存在，经过仔细对比研究，这些纳米晶结构为未知结构，所以可能是一种新型的亚稳相，这种相分离和亚稳纳米晶的存在可能是CuZr二元大块金属玻璃在室温下具有较大塑性的原因之一。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1非晶材料和非晶合金的发展史

1.2大块金属玻璃的制备和研究概况

1.2.1大块金属玻璃的制备原理

1.2.2大块金属玻璃的制备方法

1.2.3大块金属玻璃形成机理的研究概况

1.3大块金属玻璃形成能力的经验判据

1.4大块金属玻璃的性能和应用的研究概况

1.4.1机械性能

1.4.2磁学性能

1.4.3耐腐蚀性

1.4.4超导性

1.5二元大块金属玻璃的意义和研究现状

1.5.1二元大块金属玻璃的重要意义

1.5.2二元大块金属玻璃的研究现状

1.6目前存在的问题和解决方法

1.7本论文的主要研究内容和意义

1.7.1本论文工作的主要内容

1.7.2本论文的意义

第二章实验原理和方法

2.1本论文工作所选用的大块非晶合金体系

2.2本论文工作所用的主要设备

2.3本论文工作的实验过程

2.4非晶样品的制备

2.5测试样品的制备

2.5.1结构测试样品的制备

2.5.2显微组织样品的制备

2.6实验原理和方法

2.6.1主要测试手段

2.6.2工作原理

第三章Cu-Zr二元合金的非晶形成能力

3.1序言

3.2基于热力学参数而提出的表征参数γ*

3.2.1 γ*的原理和计算方法

3.2.2 γ*的物理意义及适用范围

3.3 Cu-Zr二元合金体系非晶形成能力的预测

3.4 Cu-Zr二元合金体系非晶形成能力的实验研究

3.5小结

第四章Cu-Zr二元合金的玻璃转变、晶化动力学以及热稳定性的研究

4.1序言

4.2玻璃转变、晶化过程的动力学分析原理简介

4.2.1晶化的动力学分析模型——Kissinger方程

4.2.2玻璃转变的动力学分析模型——VFT方程

4.2.3金属玻璃的连续加热转变曲线

4.3 Cu50.3Zr49.7大块非晶的玻璃转变、晶化及其动力学

4.4 Cu50.3Zr49.7二元大块非晶的热稳定性研究

4.5 小结

第五章Cu-Zr二元合金的微观结构不均匀性研究

5.1序言

5.2快速傅立叶变换(FFT)原理

5.3实验结果与讨论

5.4小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢