Cu-Zr-M金屬玻璃的結構、非晶形成能力和力學性能.pdf

1、金屬玻璃獨特的物理、化學和力學性能，使其在先進結構與功能材料方面呈現(xiàn)巨大的應用潛力。而高的非晶形成能力和良好的綜合力學性能是擴大金屬玻璃工程應用范圍的關鍵所在。基于微觀結構-宏觀性能的相關性，研究具有不同宏觀性能的金屬玻璃原子層次的結構，有利于加深對金屬玻璃結構特征的認識，同時可以為設計和制備大尺寸、優(yōu)異力學性能的塊體金屬玻璃提供理論參考。
　　本文以Cu100-xZrx(x=41.18-66.67)二元和在此基礎上添加第三組元M

2、(M=Ti,Ga,Co,Fe,Al)形成的三元合金體系為研究對象，采用銅模鑄造法和單輥甩帶法分別制備了棒狀、楔形和薄帶試樣，利用同步輻射擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）技術研究了金屬玻璃薄帶的結構，用基于可靠嵌入原子（EAM）勢的分子動力學模擬方法分析了金屬玻璃結構隨成分的變化規(guī)律，用楔形試樣中非晶區(qū)域的最大（臨界）厚度表征了合金的非晶形成能力，采用單軸壓縮和維氏硬度計測試了金屬玻璃的力學性能。獲得的主要研究成果有：
　　（1

3、）通過比較Cu-Zr金屬玻璃鑄態(tài)和結構弛豫退火態(tài)顯微硬度與非晶形成能力的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)金屬玻璃的顯微硬度及其退火后的上升幅度與非晶形成能力之間存在關聯(lián)。與其附近成分相比，Cu56Zr44和Cu50Zr50合金非晶形成的臨界厚度較大，金屬玻璃的硬度相應較高，并在退火時呈現(xiàn)較小的硬度變化率。
　　（2）對Cu-Zr金屬玻璃同步輻射擴展X射線精細結構譜進行擬合發(fā)現(xiàn)，隨著 Zr含量上升，原子間距Ri-j（i，j分別表示中心原子與近鄰原子）的變

4、化規(guī)律為：RCu-Cu、RZr-Cu、RZr-Zr隨著Zr含量的增加基本不變，RCu-Zr略有降低，偏配位數(shù)NCu-Cu和NZr-Cu下降，NCu-Zr和NZr-Zr上升，Cu、Zr原子的平均配位數(shù)NCu和NZr同時減小。
　?。?）通過對Cu-Zr典型成分金屬玻璃分子動力學模擬獲得的EXAFS譜和EXAFS實驗譜相比較，確認了模擬工作的可靠性，并在此基礎上采用Voronoi分析方法獲得了Cu-Zr二元金屬玻璃的拓撲、化學有序結構

5、信息。在所有以Cu為中心的Voronoi多面體中，有八種占比在5％以上的多面體，但沒有一種多面體的分數(shù)超過22%。以Zr為中心的Voronoi多面體中，也有八種占比超過5%的多面體，但每種類型的分數(shù)甚至不超過14%。Cu-Zr二元金屬玻璃中，盡管<0,0,12,0>多面體所占分數(shù)并不特別高，但大多數(shù)原子與其周圍原子以五角雙錐結構兩兩相連，而這正是二十面體團簇中中心原子與周圍原子相連的唯一方式，表明Cu-Zr金屬玻璃中含有大量類二十面體體

6、（缺陷二十面體）結構。
　?。?）Cu-Zr二元金屬玻璃中，Cu<0,0,12,0>多面體在Cu-Zr金屬玻璃中易偏聚在一起，形成較大尺寸的以Cu為中心的二十面體中程有序結構，Cu-Zr合金因此具有較好的非晶形成能力。與周圍成分相比，在Cu50Zr50成分處以Cu為中心的二十面體團簇的有序度更高，結構更加致密，因此非晶形成能力也相對較高。
　　（5）在所考察Cu-Zr合金的成分范圍內，Cu和Zr的平均Voronoi多面體體積

7、均隨成分線性變化。但如果定義金屬玻璃三維原子構型中Voronoi體積最大的5%的原子為“軟區(qū)”原子，發(fā)現(xiàn)Cu56Zr44和 Cu50Zr50成分處“軟區(qū)”總體積相對較小，自由體積相應減少。由于金屬玻璃變形時剪切帶優(yōu)先在“軟區(qū)”萌生和擴展，從而使這兩個成分處的金屬玻璃呈現(xiàn)較高的硬度。
　　（6）對Cu50Zr50基礎合金添加7.5at.%第三組元M（M=Ti,Ga,Co,Fe）前后金屬玻璃的EXAFS譜進行擬合發(fā)現(xiàn)，第三組元主要影響

8、以Cu原子為中心的團簇結構。加入Ti，以Cu為中心的團簇的原子堆垛密度上升，原子間結合力增強，非晶形成能力上升；加入Ga和Co，盡管以Cu為中心的團簇的原子堆垛密度也有所上升，但原子之間的結合力減弱，非晶形成能力下降；加入Fe，原子堆垛密度下降，同時原子間的結合力減弱，非晶形成能力顯著降低。
　　（7）通過對比一系列成分Cu-Zr-Al合金的非晶形成臨界厚度、特征溫度、顯微硬度和壓縮力學性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該合金體系中高非晶形成能力、高