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金属玻璃由于其独特的无序结构,具有很多优良的力学、物理和化学性能,因而有广阔的应用前景,引起了大量的科学工作者和工程技术人员的极大关注。就目前发现,Cu基非晶具有高强度和良好的耐腐蚀性能,是很有前景的结构材料,因而人们对Cu基非晶投入了大量的工作。但是由于在宏观变形过程中,常常表现为脆性断裂,这在很大程度上限制了块体非晶合金的应用。因此,采用冷热处理方法在非晶基体中引起第二相,形成非晶合金复合材料,以此来提高合金变形能力的研究受到了很大重视。至今,所报道的处理工艺主要为退火处理,对于深冷处理,一般主要应用于晶态合金中,在非晶领域报道较少。本文对Cu45Zr45Ag7Al3大块非晶合金进行退火和深冷处理,并研究了其处理后的力学性能,特别是对深冷后的疲劳性能进行了深入的研究。 (1)利用铜模铸造法制备出了Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金。利用DSC分析了Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金等温和非等温情况下的晶化动力学。利用Kissiger方程计算了Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金样品在非等温条件下的晶化激活能Eg、Ex和Ep分别为376.8kJ/mol(±12kJ/mol),307.2kJ/mol(±9kJ/mol),339.5kJ/mol(±10kJ/mol)。然而在等温条件下晶化的平均激活能为413.7kJ/mol,比非等温条件下要大很多。等温条件下的局部Avrami指数为1.82-3.51,等温晶化过程为扩散控制的三维长大过程。741K、746K、751K等温退火30min后试样显示了同铸态非晶相似的半月形脉状纹络和熔滴密度。756K等温退火后试样断裂分三个类型,少量半月形脉状纹路的同时也有鱼鳞形的脉状纹路出现,剪切区表面有低密度脉状纹络同时存在裂纹,类似晶态材料准解理断裂形貌;锯齿形貌,体现典型脆性断裂特征。741K温度下等温退火后,仅仅得到少量的晶态相,大部分还是非晶形态;746K下,有少量的晶化相析出,经检测为Cu10Zr7相;751K温度下产生了AlCu2Zr和Cu10Zr7相;756K等温退火后主要晶化相AlCu2Zr、Cu10Zr7和Cu8Zr3相。 (2)Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金随着深冷时间的延长热稳定性不断降低,塑性逐渐增加当深冷192小时后,获得最大的塑性变形达到0.50%,当深冷240小时后,合金的塑性下降,几乎没有塑性变形,材料的抗压强度和硬度呈持续增加的变化趋势,在深冷192小时后达到最大值,而抗拉强度却随着深冷时间的延长持续降低。这是由于在深冷过程中,压力降低了临界晶核的半径而使得一些富集部分变成了稳定可以长大的晶粒,同时其压力导致原子的“运输”,致使非晶合金基体中发生了晶化转变,由完全非晶转变为部分晶化结构,析出了AlCu2Zr和Cu5Zr两种晶化相,其中Cu5Zr为增强相,AlCu2Zr为脆性相。 (3)四点弯曲疲劳试验条件下,铸态和经过不同深冷时间处理后的Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金的四点弯曲疲劳疲劳极限为386MPa、487、355、313和224MPa,疲劳极限和断裂强度的比值分别为0.26、0.31、0.20、0.16和0.12。疲劳断口主要分成四个区域:裂纹萌生区、裂纹扩展区、快速断裂区和熔融区。但深冷24小时后其较铸态合金,其裂纹扩展区面积明显增大,没有出现如同铸态非晶合金类似的疲劳条带,这主要是因为深冷后析出的纳米晶体相的原因。同时,随着深冷时间的延长,有利于提高非晶合金的门槛值,特别是长时间深冷对合金门槛值的增强效果最好。深冷24小时后裂纹扩展速率低于铸态非晶和其他深冷时间后的速率。深冷192小时后Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金疲劳过程中,在裂纹扩展时,裂纹将沿着主剪切带进行传播随着应力导致的自由体积的增加。自由体积的密度将增加,而且剪切板阻碍剪切变形将减小。随着变形的进一步进行,主剪切板扩展到AlCu2Zr和Cu5Zr和非晶基体之间,剪切板尖端可能会导致应力致使Cu5Zr相转变成B2结构的CuZr相。 (4)单轴压-压加载下Cu45Zr45Ag7Al3非晶合金的疲劳极限要比三点弯曲和四点弯曲加载下的疲劳极限要高;在高于疲劳极限应力相同载荷下,两者的疲劳寿命也有所不同。三点弯曲疲劳断裂表面形貌和四点弯曲疲劳类似,主要包括四个主要区域:疲劳裂纹萌生、裂纹扩展、快速断裂和熔融区域,且存在着疲劳条带,其疲劳机制为形成了剪切带和自由体积的累积,导致产生了一些空隙,从而促使在该区域疲劳裂纹的萌生,同时由于钝化和重新锐化现象将致使裂纹扩展。单轴压-压疲劳断口表面和单轴压缩试验的断口形貌类似,样品呈一定倾斜角度断裂,样品表面不平整,表面存在着一些可见的裂纹,且无疲劳条带,这是由于疲劳过程中在试样上形成表面损伤层,随着载荷循环周期增加,表面损伤层不断向试样内部扩展,使得试样有效加载面积逐渐减小,导致临界剪切断裂应力不断降低,使得试样最终将发生剪切断裂。