原位内生树枝晶增强TiZr基非晶复合材料的组织与力学性能

作     者：马小昭 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马明臻

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：TiZr非晶复合材料 微观组织结构 压缩性能 拉伸性能 塑性应变 

摘      要：TiZr基块体非晶合金在室温下具有很多优异的性能,如高强度、高硬度、大的弹性极限、极好的抗腐蚀性能和优良的耐磨性能。然而它在室温时呈脆性断裂,严重阻碍了其作为结构材料在工程上的应用。为了改善和提高非晶合金的室温塑性变形能力,通过调整TiZr基非晶合金体系的成分和改变Nb元素的含量,制备原位内生树枝晶增韧TiZr基非晶复合材料是一个有效的技术途径。本文以(Ti40.4Zr27.7Be15.6Cu6.3)(90+x)/90Nb10-x(x=6,4,2,0,-2,-4 and-6)合金体系为研究对象,制备了7个成分的原位内生β相树枝晶增强TiZr基非晶合金复合材料。用XRD衍射技术、DSC、SEM和TEM等测试技术,系统分析了TiZr基非晶复合材料的相组成、玻璃形成能力,微观结构以及力学性能和塑性变形机理。研究表明,原位内生β相树枝晶的数量和尺寸受铌(Nb)含量的控制,随铌含量的增加而增加。在对(Ti40.4Zr27.7Be15.6Cu6.3)(90+x)/90Nb10-x(x=6,4,2,0,-2,-4 and-6)合金体系复合材料的压缩试验过程中发现,随着原位内生β相树枝晶的数量和尺寸的增加,断裂极限强度和塑性应变同步增加的趋势。其中,非晶复合材料Ti37.72Zr25.85Be14.55Cu5.87Nb16的屈服强度为1408 MPa,极限强度超过2890 MPa,塑性变形量大于45%。在对复合材料(Ti40.4Zr27.7Be15.6Cu6.3)(90+x)/90Nb10-x(x=6,4,2,0)进行拉伸试验时发现,随着原位内生β相树枝晶的数量和尺寸的增加,其屈服强度和极限强度降低,但塑性应变有所增加,其中,复合材料Ti40.4Zr27.7Be15.6Cu6.30Nb10的极限强度为1428 MPa,塑性变形量为7.7%。原位内生β相树枝晶的引入,显著改善了TiZr基非晶复合材料的室温塑性变形能力。由其真应力-应变曲线可以看出,无论是压缩或拉伸载荷作用下,其变形过程都经历了弹性变形、加工硬化和加工软化三个阶段,加工硬化和加工软化阶段随着Nb含量的增加而扩大,表现为非晶复合材料塑性的提高。阻止剪切带的扩展和诱发多重剪切带,使剪切带在传播过程中发生转向或被树枝晶钉扎是原位内生β相树枝晶增韧、增强非晶复合材料塑性的重要机制。通过TEM和HRTEM分析发现,非晶复合材料在变形过程中,β相树枝晶内部产生的晶格扭曲,位错堆积以及非晶基体中形成流变区域,是导致其高强度高塑性的重要原因。