Zr基块体非晶合金在塑性变形过程中的结构和性能变化

摘要

非晶合金长程无序、短程有序的结构特点使之具有许多独特的力学和物理化学性能,成为极具应用价值的一类金属材料。但由于处于结构上的亚稳态,非晶合金在热和力的作用下均可能发生结构变化,认识其变化规律对于正确使用非晶合金乃至对其进行深加工具有重要意义。
　　 本文利用X射线衍射仪(XRD),差示扫描量热仪(DSC)、高分辨透射电镜(HRTEM)和维氏硬度计详细研究了多种Zr基块体非晶合金在室温轧制变形后的结构和性能变化。结合预退火实验探讨了非晶合金热稳定性与机械稳定性的关系。获得了以下研究成果:
　　 在5.0x10-2s-1的应变速率下,Zr60Cu30Al10块体非晶在轧制到最大应变量96％时,仍然没有发生相分离和纳米晶化。但由径向分布函数RDF和双体分布函数g(r)计算得到的配位数(N)、第一近临半径(r1)和相关半径(rc)等说明,轧制变形使短程有序和中程有序发生了变化,从而加速随后退火过程中的晶化过程。
　　 向上述合金中添加Pd,形成Zr60Cu20Al10Pd10块体非晶合金,合金的稳定性降低。在应变速率为5.0x10-2s-1时,该合金在轧制到最大应变量96％时发生纳米晶化,这样形成的纳米晶与退火过程产生的纳米晶结构相同,均为Zr2(Cu,Pd)相。伴随纳米晶的析出,非晶合金的硬度升高。
　　 在Zr60Cu30Al10三元合金基础上同时加入Ni和Ti形成Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金,该合金在室温下以应变速率5.0x10-2s-1进行轧制变形时,不发生相变,仅是由于剪切带引入导致材料软化。但当应变速率提高到5.0 s-1时,剪切带内部与其周围区域因承受大变形而发生纳米晶化和相分离。但相变强化作用仍然不能弥补剪切带增多引起的变形软化,因此随着轧制变形的进行,该合金的硬度仍为持续降低。
　　 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5合金在680 K退火0.5 h,发生相分离；退火时间延长到1.5 h时,进一步发生纳米晶化,析出fcc结构的Zr-Cu亚稳相。两种退火试样在轧制变形过程中都发生纳米晶化,但对退火1.5 h的试样而言,轧制后晶化体积分数增加的同时,Zr-Cu相消失。这说明轧制变形使得已有亚稳相向更加稳定的晶态相转变。在应变速率5.0x10-2s-1下,退火0.5 h和1.5 h的试样轧制到最大应变量96％仍不断裂,说明相分离和一定程度的纳米晶化不降低材料的延展性。但是当退火时间延长到3 h时,试样呈现出较大的脆性,在轧制到10％的应变量时即发生断裂。通过对不同时间退火后的试样进行变形,发现纳米晶体积分数达到36％的试样在变形时发生断裂,表明使该非晶合金在轧制变形时,延展性急骤下降的纳米晶临界体积分数约为36％。
　　 Zrs2.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5试样完全晶化退火后,析出相为Zr2Ni、Zr2Cu、ZrCu和ZrAl。通过Johnson-Mehl-Avrami(JMA)方程研究2个晶化峰的Avrami指数发现:第一个晶化过程形成纳米晶,伴随着形核率的不断增大；第二个晶化过程是已存在纳米晶的长大,形核率不断降低。预退火和轧制变形均使该非晶合金的玻璃转变激活能和晶化激活能降低。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 文献综述

1.1 非晶合金的发展史

1.2 非晶合金的玻璃形成能力

1.2.1 非晶合金形成的热力学和动力学

1.2.2 非晶合金的玻璃形成能力表征

1.2.3 非晶合金的结构设计

1.3 非晶合金的晶化

1.4 非晶合金的塑性变形

1.4.1 塑性变形理论

1.4.2 非晶合金塑性变形过程中的结构变化

1.5 Zr基非晶合金在塑性变形方面的研究进展

1.6 本文的立题意义、思路和内容安排

第二章 实验方法

2.1 合金体系的选择

2.2 实验设备

2.3 非晶试样的制备

2.4 块体非晶合金轧制试样的制备

2.5 微观结构分析

2.6 硬度测试

第三章 轧制对Zr60Cu30Al10块体非晶合金微观结构与硬度的影响

3.1 微观结构的变化

3.2 衍射结果分析

3.2.1 X射线非晶结构分析理论

3.2.2 计算结果及讨论

3.3 变形后的硬度

3.4 本章小结

第四章 轧制过程中Zr60Cu20Al10Pd10块体非晶合金的纳米晶化与硬度变化

4.1 轧制后结构与硬度变化

4.2 变形引发纳米晶的原因

4.3 本章小结

第五章 轧制变形对Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5块体非晶合金微观结构和性能影响

5.1 轧制变形对微观结构的影响

5.1.1 小应变速率下的结构和性能变化

5.1.2 大应变速率下的结构和性能变化

5.2 纳米晶的产生

5.3 两种不同速率下的自由体积变化

5.4 本章小结

第六章 退火Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5块体非晶合金在轧制变形中的微观结构演变

6.1 退火试样的结构变化

6.2 退火0.5 h和轧制变形后的结构变化

6.3 退火1.5 h和轧制变形后的结构变化

6.4 退火3 h和轧制变形后的结构变化

6.5 临界晶化体积分数

6.6 退火与轧制的作用

6.6.1 结构变化

6.6.2 延展性与断裂

6.7 本章小结

第七章 Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5块体非晶合金的晶化动力学

7.1 实验方法

7.2 晶化产物

7.3 晶化动力学基本理论

7.3.1 等温转变

7.3.2 非等温转变

7.4 铸态合金的等温晶化行为

7.5 轧制和退火态合金的非等温晶化行为

7.5.1 实验结果

7.5.2 退火对玻璃转变和晶化的影响

7.5.3 变形对玻璃转变和晶化的影响

7.6 本章小结

第八章 主要结论及创新点

8.1 主要结论

8.2 论文创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢