Cu-Zr-M金属玻璃的结构、非晶形成能力和力学性能

摘要

金属玻璃独特的物理、化学和力学性能，使其在先进结构与功能材料方面呈现巨大的应用潜力。而高的非晶形成能力和良好的综合力学性能是扩大金属玻璃工程应用范围的关键所在。基于微观结构-宏观性能的相关性，研究具有不同宏观性能的金属玻璃原子层次的结构，有利于加深对金属玻璃结构特征的认识，同时可以为设计和制备大尺寸、优异力学性能的块体金属玻璃提供理论参考。
　　本文以Cu100-xZrx(x=41.18-66.67)二元和在此基础上添加第三组元M(M=Ti,Ga,Co,Fe,Al)形成的三元合金体系为研究对象，采用铜模铸造法和单辊甩带法分别制备了棒状、楔形和薄带试样，利用同步辐射扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）技术研究了金属玻璃薄带的结构，用基于可靠嵌入原子（EAM）势的分子动力学模拟方法分析了金属玻璃结构随成分的变化规律，用楔形试样中非晶区域的最大（临界）厚度表征了合金的非晶形成能力，采用单轴压缩和维氏硬度计测试了金属玻璃的力学性能。获得的主要研究成果有：
　　（1）通过比较Cu-Zr金属玻璃铸态和结构弛豫退火态显微硬度与非晶形成能力的数据，发现金属玻璃的显微硬度及其退火后的上升幅度与非晶形成能力之间存在关联。与其附近成分相比，Cu56Zr44和Cu50Zr50合金非晶形成的临界厚度较大，金属玻璃的硬度相应较高，并在退火时呈现较小的硬度变化率。
　　（2）对Cu-Zr金属玻璃同步辐射扩展X射线精细结构谱进行拟合发现，随着 Zr含量上升，原子间距Ri-j（i，j分别表示中心原子与近邻原子）的变化规律为：RCu-Cu、RZr-Cu、RZr-Zr随着Zr含量的增加基本不变，RCu-Zr略有降低，偏配位数NCu-Cu和NZr-Cu下降，NCu-Zr和NZr-Zr上升，Cu、Zr原子的平均配位数NCu和NZr同时减小。
　　（3）通过对Cu-Zr典型成分金属玻璃分子动力学模拟获得的EXAFS谱和EXAFS实验谱相比较，确认了模拟工作的可靠性，并在此基础上采用Voronoi分析方法获得了Cu-Zr二元金属玻璃的拓扑、化学有序结构信息。在所有以Cu为中心的Voronoi多面体中，有八种占比在5％以上的多面体，但没有一种多面体的分数超过22%。以Zr为中心的Voronoi多面体中，也有八种占比超过5%的多面体，但每种类型的分数甚至不超过14%。Cu-Zr二元金属玻璃中，尽管<0,0,12,0>多面体所占分数并不特别高，但大多数原子与其周围原子以五角双锥结构两两相连，而这正是二十面体团簇中中心原子与周围原子相连的唯一方式，表明Cu-Zr金属玻璃中含有大量类二十面体体（缺陷二十面体）结构。
　　（4）Cu-Zr二元金属玻璃中，Cu<0,0,12,0>多面体在Cu-Zr金属玻璃中易偏聚在一起，形成较大尺寸的以Cu为中心的二十面体中程有序结构，Cu-Zr合金因此具有较好的非晶形成能力。与周围成分相比，在Cu50Zr50成分处以Cu为中心的二十面体团簇的有序度更高，结构更加致密，因此非晶形成能力也相对较高。
　　（5）在所考察Cu-Zr合金的成分范围内，Cu和Zr的平均Voronoi多面体体积均随成分线性变化。但如果定义金属玻璃三维原子构型中Voronoi体积最大的5%的原子为“软区”原子，发现Cu56Zr44和 Cu50Zr50成分处“软区”总体积相对较小，自由体积相应减少。由于金属玻璃变形时剪切带优先在“软区”萌生和扩展，从而使这两个成分处的金属玻璃呈现较高的硬度。
　　（6）对Cu50Zr50基础合金添加7.5at.%第三组元M（M=Ti,Ga,Co,Fe）前后金属玻璃的EXAFS谱进行拟合发现，第三组元主要影响以Cu原子为中心的团簇结构。加入Ti，以Cu为中心的团簇的原子堆垛密度上升，原子间结合力增强，非晶形成能力上升；加入Ga和Co，尽管以Cu为中心的团簇的原子堆垛密度也有所上升，但原子之间的结合力减弱，非晶形成能力下降；加入Fe，原子堆垛密度下降，同时原子间的结合力减弱，非晶形成能力显著降低。
　　（7）通过对比一系列成分Cu-Zr-Al合金的非晶形成临界厚度、特征温度、显微硬度和压缩力学性能数据，发现该合金体系中高非晶形成能力、高热稳定性和高强度性能对应的最佳合金成分各不相同。Zr含量增加，塑性提高，强度降低；Al含量上升，强度增大。凝固过程中初生晶体相不同，非晶形成能力表现出明显的差异。

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第一章 绪论

1.1 金属玻璃的形成

1.2 金属玻璃的结构表征

1.3 金属玻璃非晶形成能力的研究进展

1.4 本文的选题意义和主要研究内容

第二章 实验与模拟方法

2.1 合金体系的选择

2.2 实验设备

2.3 合金熔配和样品制备

2.4 金属玻璃的结构与性能表征

第三章 Cu-Zr二元金属玻璃的局域结构

3.1 X射线吸收精细结构分析

3.2 分子动力学模拟

3.3 金属间化合物成分晶态结构和非晶态结构的比较

3.4 本章小结

第四章 Cu-Zr二元金属玻璃的非晶形成能力与力学行为

4.1 金属玻璃的显微硬度

4.2 非晶形成能力

4.3 非晶形成能力随成分变化的结构因素

4.4 金属玻璃显微硬度随成分变化的结构因素

4.5 本章小结

第五章 Cu-Zr-M金属玻璃的结构与非晶形成能力

5.1 金属玻璃的非晶形成能力与晶化行为

5.2 金属玻璃EXAFS分析

5.3 Cu-Zr-M金属玻璃的结构

5.4 影响Cu-Zr-M合金非晶形成能力的因素

5.5 本章小结

第六章 Cu-Zr-Al金属玻璃的非晶形成能力与力学性能

6.1非晶形成能力

6.2 热稳定性

6.3 非晶形成的竞争晶体相

6.4 显微硬度

6.5 压缩塑性与断裂行为

6.6 Al含量、特征温度与力学性能

6.7 本章小结

第七章 主要结论与创新点

7.1 主要结论

7.2 论文创新点

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢