Zr基塊體非晶合金室溫力學行為及變形機理的研究.pdf

1、本文采用力學試驗機、差示掃描量熱儀（DSC）、掃描電子顯微鏡（SEM）、納米壓痕儀（nanoindentation）、精密密度天平等實驗方法系統(tǒng)地研究了一系列Zr基塊體非晶合金在室溫下的蠕變行為，從理論上分析了非晶合金的蠕變變形機理，初步揭示了合金元素及預應力對蠕變行為及蠕變后材料性能的影響機制。通過在Zr基塊體非晶合金中產(chǎn)生預先塑性變形，研究了變形剪切帶對非晶合金腐蝕行為的影響。此外，本論文還研究了一種Zr塊體非晶合金在空氣環(huán)境和腐蝕

2、環(huán)境中的腐蝕疲勞行為和性能。
　　本研究主要內容包括：⑴以具有良好非晶形成能力及室溫韌性的Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對象，研究了該非晶合金在室溫下的蠕變行為。實驗以該非晶合金屈服強度的90％的應力為施壓應力，在這一應力下分別保壓24、48和120小時。實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同時間保壓后，非晶合金均發(fā)生了永久塑性變形，經(jīng)120小時保壓后的樣品塑性應變達0.48%。但SEM并未觀察到非晶樣品表面有任何

3、剪切帶的產(chǎn)生，表明這種在彈性應力范圍內發(fā)生的蠕變?yōu)榫鶆蛩苄宰冃?。進一步DSC研究發(fā)現(xiàn)，蠕變后各樣品的的弛豫焓隨著保壓時間的延長逐漸減少，其中經(jīng)過120小時保壓后樣品的弛豫焓降低了36.7%。隨后的力學性能測試發(fā)現(xiàn)，相對于原始態(tài)樣品，保壓后樣品的屈服強度明顯增加，納米壓痕實驗顯示隨著保壓時間的延長各樣品的硬度和彈性模量均逐漸增加。而密度測試亦發(fā)現(xiàn)各保壓后樣品的密度隨保壓時間延長而增大。以上實驗結果均表明，該非晶合金在彈性應力范圍內區(qū)的保壓

4、引起了非晶合金的自由體積湮滅，即發(fā)生了應力硬化（應力退火）效應。根據(jù)原子尺度應力模型分析，我們認為這一應力退火效應是非晶合金中存在的正、負自由體積區(qū)在應力作用下相互擴散抵消所引起的。⑵選取三種具有不同玻璃轉變溫度和玻璃轉變激活能Zr基非晶合金（Zr55Ni5Cu30Al10、Zr61Ti2Cu25Al12和Zr35Ti30Be27.5Cu7.5），并在相同條件下（以各自屈服強度的90%的應力為蠕變應力）分別保壓24、48和120小時，研

5、究了保壓后各非晶合金的力學和物理性能。實驗發(fā)現(xiàn)具有較高的玻璃轉變溫度和轉變激活能的Zr55Ni5Cu30Al10非晶合金(Tg=668 K, Eg=497.4 KJ/mol)和Zr61Ti2Cu25Al12非晶合金(Tg=655 K, Eg=528.3 KJ/mol)保壓后自由體積減少，這與Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金(Tg=651 K, Eg=689.8 KJ/mol)的結果一致，即發(fā)生了應力硬化（

6、應力退火）效應。但具有低的玻璃轉變溫度和轉變激活能的Zr35Ti30Be27.5Cu7.5非晶合金(Tg=584 K, Eg=316.0 KJ/mol)卻表現(xiàn)出應力軟化的現(xiàn)象。這表明非晶合金在室溫蠕變過程中，可以發(fā)生應力硬化（即應力退火）效應，也可以發(fā)生應力軟化效應，這與非晶體系的玻璃轉變溫度和轉變激活能密切相關。進一步理論分析表明，對于玻璃轉變溫度和玻璃轉變激活能較高的非晶合金，由于其非晶結構更穩(wěn)定，其內部不均勻結構不易被激活，彈性應

7、力僅僅引起正、負自由體積相互擴散和抵消，使總自由體積減少，即發(fā)生應力退火效應。而對于玻璃轉變溫度和轉變激活能較低的非晶合金，非晶合金內部不均勻結果易被激活，即使在彈性應力范圍內（屈服強度的90%）保壓，其內部的不均勻結構也會發(fā)生屈服，引起總自由體積增加，即發(fā)生應力軟化效應。⑶以具有較低玻璃轉變溫度及轉變激活能的Zr35Ti30Be27.5Cu7.5非晶合金為對象，分別施加屈服強度的50%、70%和90%的應力，并保壓48小時，研究施加應

8、力大小對該非晶合金蠕變行為的影響。DSC、力學性能和密度測試發(fā)現(xiàn)，隨著保壓應力的增加，該非晶合金的弛豫焓先減少后增加，而屈服強度和納米壓痕下的最大剪切強度先增大后減小，這表明隨著保壓應力的增加，該非晶合金發(fā)生了應力硬化向應力軟化的轉變。根據(jù)原子尺度應力模型結合自由體積理論分析，我們認為在低應力范圍內，由于正應力起主導作用，非晶結構的變化受控于正、負自由體積的相互抵消，從而引起總的自由體積湮滅和應力硬化現(xiàn)象的發(fā)生；而在高應力范圍內，由于切

9、應力起主導作用，它使正自由體積區(qū)原子向基體擴散，引起總的自由體積增加和應力軟化現(xiàn)象的發(fā)生。⑷以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對象，通過預先塑性變形的調控，在非晶合金樣品表面產(chǎn)生單一或多重剪切帶，隨后將其在1 M的HCl溶液中浸泡處理，研究剪切帶對非晶合金腐蝕行為的影響。盡管 SEM觀察發(fā)現(xiàn)點蝕均發(fā)生在剪切臺階上，但機械拋光除去剪切臺階后，點蝕不再集中在剪切帶所在位置，而是隨機均布于非晶合金表面。這

10、表明非晶合金變形后產(chǎn)生的剪切臺階才是導致點蝕在剪切帶上優(yōu)先形成的原因，與剪切帶內部的結構變化無關。⑸以Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3塊體非晶合金為對象，采用三點彎曲的實驗方法研究了該合金在模擬體液的疲勞性能，并與空氣環(huán)境中的疲勞性能進行了比較。實驗發(fā)現(xiàn)該非晶合金在腐蝕環(huán)境中的疲勞極限達到366 MPa，僅略低于在空氣環(huán)境中的疲勞極限（400 MPa），反映了該非晶體系對腐蝕介質并不敏感。SEM觀察發(fā)現(xiàn)，無論是在