熔体温度对金属玻璃弛豫行为和力学性能的影响

摘要

金属玻璃从熔体状态下急速冷却制得，其原子结构能够最大程度遗传于熔体。金属玻璃的原子结构为无序态，且处于热力学上的不稳定状态。在一定条件下，金属玻璃将会从高能态向低能态转变，即结构弛豫过程。研究弛豫问题有利于理解金属玻璃的本质以及力学性能等问题。以熔体为切入点，研究金属玻璃的弛豫行为和力学性能具有重要意义。
　　在此背景下，本文选取Zr57Cu20Al10Ni8Ag5和La62Al14(Cu5/6Ag1/6)14(Ni1/2Co1/2)10大块金属玻璃，利用铜模喷铸的方法，通过改变熔体喷铸温度制备出大块金属玻璃，并采用差示扫描量热法(DSC)、内耗、电阻率、动态力学分析(DMA)、力学性能实验以及扫描电镜(SEM)等测试手段，研究熔体温度对金属玻璃弛豫行为和力学性能的影响，探究金属玻璃的弛豫行为，以及其弛豫行为和力学性能之间的联系。本文主要结论和创新点总结如下:
　　1.采用电阻和内耗法研究了熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃弛豫行为的影响。随着熔体温度的升高，金属玻璃的过冷液相区宽度和晶化转变温度点增加，说明金属玻璃的热稳定性增强。金属玻璃低温下的内耗值随着熔体温度的上升而增加，表明淬入金属玻璃的自由体积逐渐增多。本文还创新地采用电阻法研究了金属玻璃的β弛豫，利用电阻率曲线在Tg前由β弛豫造成的电阻率变化量△ρrel来表征β弛豫的强度，△ρrel随着熔体温度的上升而增加，即金属玻璃的β弛豫强度增强。
　　2.通过DSC和DMA等测试手段研究了熔体温度对La62Al14(Cu5/6Ag1/6)14(Ni1/2Co1/2)10金属玻璃弛豫行为的影响。DSC测试表明，随熔体温度升高，金属玻璃中淬入的自由体积增多，金属玻璃的热稳定性增强。DMA测试表明，金属玻璃的储存模量随着熔体温度的上升而逐渐增加，且β弛豫峰变得更加明显。此外，本文根据Arrhenius方程拟合了β弛豫以及α弛豫的激活能，金属玻璃的β弛豫激活能和α弛豫激活能随着熔体温度的上升逐渐降低，且两者之差逐渐增大，说明β弛豫逐渐从α弛豫中分离开来。有趣的是，金属玻璃经验公式的比值（Eβ/RTg=26）随着熔体温度的上升而逐渐减小，这可能与金属玻璃当中的自由体积含量有关。
　　3.采用压缩实验、显微硬度测试以及SEM测试研究了熔体温度对于Zr57Cu20Al10Ni8Ag5和La62Al14(Cu5/6Ag1/6)14(Ni1/2Co1/2)10金属玻璃力学性能的影响。发现两者的压缩塑性均随着熔体温度的上升而增加，且无论Zr基或是La基的金属玻璃的压缩塑性均随着β弛豫的增强而增加，表明β弛豫与金属玻璃的塑性存在联系。显微硬度测试表明，随着熔体温度的上升，金属玻璃的显微硬度不均匀性更加明显，但显微硬度范围内软硬区域分布更加均匀。另外，通过SEM对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃的断口进行扫描，随着熔体温度的升高，金属玻璃的剪切带数量明显增多，剪切带之间的相互作用更加明显，且断面处脉状花样增多。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 金属玻璃发展史

1．2 金属玻璃形成理论

1．2．1 金属玻璃的玻璃转变

1．2．2 金属玻璃形成的热力学条件

1．2．3 金属玻璃形成的动力学条件

1．3 金属玻璃的弛豫

1．3．1 弛豫模式的分裂

1．3．2 两种弛豫理论

1．4 金属玻璃的力学行为

1．4．1 金属玻璃的宏观力学行为

1．4．2 金属玻璃塑性变形的微观机制

1．4．3 β弛豫和力学性能的关系

1．5 熔体结构对形成非晶的影响

1．5．1 液体结构的几何描述

1．5．2 熔体温度对形成金属玻璃的影响

1．6 本工作研究内容和意义

第二章 实验内容及方法

2．1 选择合金系

2．2 主要实验设备

2．3 试样制备方法

2．4 材料测试方法

2．4．1 XRD射线衍射分析

2．4．2 氧含量的测定

2．4．3 热分析

2．4．4 内耗与动态力学分析(DMA)测试

2．4．5 电阻率测试

第三章 电阻和内耗法探究熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃弛豫行为的影响

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 电阻法探究熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃弛豫行为的影响

3．3．1 电阻法探究金属玻璃β弛豫的有效性证明

3．3．2 电阻法探索熔体温度对热稳定性及β弛豫的作用规律

3．4 内耗法探究熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃弛豫行为的影响

3．4．1 Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃的内耗行为

3．4．2 内耗法探索熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃热稳定性及声弛豫的影响

3．5 Si和O对实验结果的影响

3．6 本章小结

第四章 熔体温度对La62Al14(Cu5／6Ag1／6)14(Ni1／2Co1／2)10金属玻璃弛豫行为的影响

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 熔体温度对La62Al14(Cu5／6Ag1／6)14(Ni1／2Co1／2)10金属玻璃热学行为的影响

4．4 熔体温度对La62Al14(Cu5／6Ag1／6)14(Ni1／2Co1／2)10金属玻璃弛豫行为的影响

4．4．1 DMA测试分析

4．4．2 α及β弛豫激活能的计算

4．5 Si和O对实验结果的影响

4．6 本章小节

第五章 熔体温度对Zr基和La基金属玻璃力学性能的影响

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 熔体温度对Zr57Cu20Al10Ni8Ag5金属玻璃力学性能的影响

5．4 熔体温度对La62Al14(Cu5／6Ag1／6)14(Ni1／2Co1／2)10金属玻璃力学性能的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究内容概要

6．2 研究结论

6．3 研究的创新之处

6．4 未解决问题

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况