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高流变成型法对锆基bmgs的增塑及其伴随作用

高流变成型法对锆基BMGs的增塑及其伴随作用

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作者：吕龙合肥工业大学

学位级别：硕士

金属玻璃拥有优异的力学与物理性能,但其广泛应用一直受制于其低的室温塑性和差的成型能力。为改变这一现状,本课题组基于Johnson发明的脉冲电流快速热塑性成型法创新并发展出高流变成型方法(HRRF)。前期研究表明,HRRF法可显著强化zrCuA... 详细信息

金属玻璃拥有优异的力学与物理性能,但其广泛应用一直受制于其低的室温塑性和差的成型能力。为改变这一现状,本课题组基于Johnson发明的脉冲电流快速热塑性成型法创新并发展出高流变成型方法(HRRF)。前期研究表明,HRRF法可显著强化zrCuAlAg块体金属玻璃(BMG)微观结构不均匀性,大幅提高其压缩塑性。然而,关于该法显著增加zr基bmgs压缩塑性作用规律的普遍性及其机理仍不清楚,同时,HRRF法对该类金属玻璃的β弛豫、热稳定性、内耗与弛豫行为的作用与规律也缺乏研究。本文以zrCuAlAgPd、zr45(Cu/6Ag)48Al7和zrCuAlAg成分bmgs为研究对象,首先通过对金属玻璃HRRF前后样品进行压缩实验,并以SEM观察其表面剪切带和断口形貌,以探索HRRF法对zr基bmgs增塑作用、规律及其机理。再运用差示扫描量热法(DSC),电阻和内耗技术研究HRRF法对该类金属玻璃β弛豫、热稳定性、内耗与弛豫行为等的作用与规律,以期揭示HRRF方法的增塑作用机理及其相关伴随现象,从而为克服bmgs脆性特征,拓展bmgs工程应用范围提供科学与技术依据。主要成果与结论如下:***和zr45(Cu/6Ag)48Al7玻璃HRRF前后样品压缩应力-应变曲线表明,HRRF后样品压缩塑性显著提高,且曲线均呈现更明显锯齿波形,反映了HRRF法对zr基bmgs增塑效果及引起流变行为的改变。压缩样品SEM照片揭示,HRRF后样品表面剪切带数量明显增多,并伴随明显的交割、分叉的特征,同时其断口处剪切脉状花纹致密并出现数量众多的液滴状颗粒,表明了HRRF法对剪切带形成与演化行为及微观结构不均匀性的改变作用。DSC结果显示,HRRF法显著增大样品的放热峰面积,表明该方法增多该类bmgs内部自由体积数量。这些结果从塑性流变行为及微观机制上揭示了该方法增塑的作用本质。2.结合DSC手段,首次以电阻法探索了HRRF法对zrCuAlAg金属玻璃β弛豫及热稳定性作用规律。升温速率10K/min验证表明,电阻法所标定样品的β弛豫开始温度Tβ、一次晶化开始温度T及其区间等特征参数均与DSC结果相吻合。这证明,电阻法探索β弛豫及热稳定性的有效性。为获得更详细信息,进一步以升温速率1K/min测试了约化电阻率曲线,结果表明,HRRF后样品Tβ大幅提前,且β弛豫所致电阻率变化值Δρrel显著增加,表明该方法显著增强该金属玻璃β弛豫强度。HRRF后T滞后且晶化温度区间ΔTx变宽,反映该方法提高了该金属玻璃的热稳定性,这一结论得到不同温度淬火样品X衍射结果证实。***金属玻璃HRRF前后样品内耗温度谱揭示,随着温度的升高,HRRF前后样品的内耗均依次表现为线性缓慢增加、较快速非线性增加、急速上升和出现内耗峰的不同变化阶段;内耗频率谱上内耗则依次表现为线性增大、先迅速减小后缓慢增加、先迅速下降后缓慢下降和出现内耗峰。对比HRRF前后样品的温度谱图可发现,HRRF后样品各加载频率下的内耗峰值与内耗峰温均明显高于其相应HRRF前的;对比HRRF前后金属玻璃相同频率谱特征的温度区间范围可知,HRRF后样品β弛豫开始、β弛豫向α弛豫转变均在更低的温度下发生,对应其原子或原子集团运动更加容易;而满足晶化要求的原子结构重排则变得困难,晶化转变的难度加大。

关键词： zr基bmgs 高流变成型法压缩塑性 β弛豫热稳定性内耗行为弛豫行为

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基于高流变成型法探索锆基bmgs的退火效应

基于高流变成型法探索锆基BMGs的退火效应

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作者：刘保串合肥工业大学

学位级别：硕士

金属玻璃因其拥有优异的力学性能受到广泛的关注,但其室温塑性差是制约其实际应用的主要瓶颈。另外金属玻璃处于能量的亚稳态,在一定条件下会向低能态甚至是晶态转变,这个过程称为结构弛豫,发生结构弛豫的金属玻璃力学性能往往进一步变... 详细信息

金属玻璃因其拥有优异的力学性能受到广泛的关注,但其室温塑性差是制约其实际应用的主要瓶颈。另外金属玻璃处于能量的亚稳态,在一定条件下会向低能态甚至是晶态转变,这个过程称为结构弛豫,发生结构弛豫的金属玻璃力学性能往往进一步变差。本课题组创新发展的高流变成型方法(HRRF)在前期探索中证实能够显著提高脆性块体金属玻璃(bmgs)zrCuAlAg的室温压缩塑性。然而,关于该法对弛豫态bmgs的力学性能作用规律、热稳定性及其机理仍待探索。本文以zrNbCuNiAl和zrCuNiAlAg成分的zr基bmgs为研究对象。在探索HRRF对zrCuAlNi系bmgs增塑可能性的基础上近一步选择具有玻璃形成能力强,热稳定性好的zrCuNiAlAg金属玻璃研究HRRF对弛豫态金属玻璃力学性能、热稳定性的作用规律。采用显微硬度测试、压缩测试、三点弯曲测试等手段衡量力学性能的变化;使用扫描电子显微镜(SEM)观察经过压缩测试后试样侧面的剪切带形貌以及透射电子显微镜(TEM)观察微观结构,以探索HRRF对zrCuAlNi系bmgs增塑的可能性及对弛豫态bmgs力学性能的作用规律和机理。同时使用差示扫描量热法(DSC)研究HRRF对弛豫态bmgs热稳定的影响,以期揭示HRRF对金属玻璃退火伴随效应的规律及机理。主要研究成果与结论如下:1.对于HRRF处理后的zrNbCuNiAl金属玻璃,DSC测试的结果表明其自由体积含量明显高于铸态试样;室温压缩塑性测试及弯曲塑性测试的结果显示其压缩塑性及弯曲塑性值分别从铸态的16.76%和3.04%显著提高至>50%产生超塑性及>6.11%而未弯断;SEM检测的结果显示HRRF处理后试样的剪切带产生大量分支,出现多次剪切带;TEM拍摄结果显示其塑性增加的原因是准晶相在HRRF处理后的试样中产生对塑性提高起到极大的促进作用。本研究成果说明高流变成型方法对zrCuAlNi系bmgs具有增塑作用。***块体非晶在T以下退火时,其显微硬度逐渐增加,而经过HRRF处理后的退火试样显微硬度基本恢复到铸态水平;退火试样的压缩塑性呈现先增加后减小的趋势,在等温退火3小时时达到最大压缩塑性31.19%,进一步的三点弯曲塑性测试显示其弯曲塑性值从铸态的0.81%增加至2.0%;HRRF处理后的退火态试样压缩塑性均得到明显提高,除等温退火1.5小时试样塑性提高至9.84%外,其余退火时间试样塑性均提高至40%以上。***检测结果显示,退火样品HRRF处理后的剪切带数量明显增多,交割分叉特征明显,说明HRRF处理可以改变退火试样剪切带的形成及演化行为。TEM结果显示在退火试样中出现分离相,而HRRF处理后的退火试样分离相尺寸更大。EDS线扫描揭示,退火试样及其HRRF处理后,分离相均存在Cu元素富集偏聚。DSC结果表明退火使金属玻璃自由体积含量逐渐减少,HRRF处理后的退火试样自由体积含量明显增加。分析认为,退火样品HRRF处理后塑性提高的原因是分离相与自由体积的耦合作用。4.就金属玻璃构效关系而言,退火及HRRF处理产生的相分离和准晶相,均显著促进bmgs的塑性。但是,由尺度及成分偏聚的差别看,二者属于不同的微观结构。虽然现阶段尚不能确定,相分离及准晶相在其它非晶体系中是否可借助退火或HRRF方法而产生,但本文研究结果,为非晶增塑机制从微观结构上提供了重要依据,也为bmgs增塑方法开拓了新的思路。

关键词： zr基bmgs 等温退火高流变成型方法力学性能高能态

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