论文部分内容阅读
虽然块体非晶合金具有高强度、大弹性极限等优异的力学性能,但室温脆性和应变软化仍是其结构工程应用的关键瓶颈。主要原因在于其长程无序的原子排列,难以产生晶体材料中类似“位错”所带来的加工硬化机制,塑性变形集中在非常小的局部区域内(即剪切带),容易引起灾难性的脆性断裂。研究发现,在非晶基体中引入晶体相能够促进更多剪切带形成和抑制剪切带扩展,从而提高塑性变形能力。其中,引入可发生形变诱导相变的亚稳第二相制备“相变诱导塑性”韧塑化块体非晶复合材料,被认为是同时克服非晶合金的室温脆性和应变软化的有效手段之一。然而,“相变诱导塑性”韧塑化块体非晶复合材料中的晶体第二相形貌特征不易调控的问题仍然十分突出,尤其是在Ti基和Zr基合金体系中,亚稳晶体母相易联结、分布不弥散,组织结构可重复性差。这些因素会大幅弱化晶体相的韧塑化效果,降低力学性能的一致性。针对上述问题,本论文尝试通过微合金化调控内生析出与外加相变介质等手段来调控亚稳第二相的形貌特征,并进一步揭示了此类块体非晶复合材料的组织结构、马氏体相变及其在不同载荷下力学性能、变形行为特征的关联。论文的主要研究内容和结论包括以下几个方面:(1)针对Ti-Cu-Ni-Zr块体非晶复合材料体系中的亚稳B2晶体相分布不均匀降低“相变诱导塑性”效果和力学性能的问题,通过在Ti45Cu41Ni9Zr5非晶合金中添加0.2～0.3 at.%的Ta元素,成功使得B2相弥散析出并同时提高材料的强度和塑性变形能力。研究表明,Ta的固溶促进了亚稳B2相的形核。此外,Ta还起到稳定高温A2相的作用,使得大量纳米A2相粒子在B2相内部形成。纳米A2相粒子促进了 B2相的均匀析出并抑制了 B2相的粗化和长大。变形过程中,纳米A2相粒子可以促进马氏体相变在B2相内部多取向形核,并抑制其快速扩展,均匀化塑性变形,从而提高材料的综合力学性能。其中,Ti44.7Cu41Ni9Zr5Ta0.3的抗压强度达～3050 MPa,压缩塑性应变达到～25%,加工硬化因子为0.11。此外,准静态拉伸载荷下亦具有～1%的塑性变形能力;(2)针对内生B2相“相变诱导塑性”韧塑化块体非晶复合材料中组织可重复性差的问题,提出了通过外加TiNi丝方法以提高组织结构和力学性能的可重复性。研究表明,TiNi丝韧塑化Zr47Ti13Cu11Ni10Be16Nb3块体非晶复合材料具有良好的力学性能一致性。添加50%体积分数的TiNi丝后,Zr47Ti1 3Cu11Ni10Be16Nb3块体非晶复合材料的准静态压缩断裂强度和塑性变形能力同时提高,分别达到2134±46 MPa和13.4±1.0%,且具有强的加工硬化能力,抗压强度比基础非晶合金提高了接近30%。在准静态拉伸下,这种添加TiNi丝的块体非晶复合材料也表现出0.8±0.2%的塑性。TiNi丝的马氏体相变及其与非晶基体的协同变形对力学性能的提高起到决定性的作用。研究表明,外加TiNi丝的方法可以便捷地调控组织结构并大幅提高力学性能的一致性;(3)针对非晶合金材料服役过程中可能面临的极端条件,系统研究了“相变诱导塑性”韧塑化块体非晶复合材料在高应变率载荷下的动态力学行为,厘清了 B2相高应变率下的马氏体相变及应变率强化特征。研究表明,在动态载荷下,具有“相变诱导塑性”效应的Cu46.25Zr48Al4Ag1Sn0.75块体非晶复合材料在表现出高的极限强度(～1550 MPa)的前提下,还显示了大的断裂应变(～15%)以及独特的两阶段硬化特征。此外,TiNi丝韧塑化Zr47Ti13Cu11Ni10Be16Nb3块体非晶复合材料的动态断裂应变也达到～15%。在高应变率下,相对于传统树枝晶块体非晶复合材料而言,“相变诱导塑性”韧塑化块体非晶复合材料在较低的晶体相体积分数(～40%)下即可达到最佳的韧塑化效果,从而不用牺牲强度。研究发现,高应变率下马氏体相变仍然可以发生,从而有效地释放局部应力集中,抑制单一剪切带快速扩展,促进多重剪切带形成,均匀化塑性变形。“相变诱导塑性”和绝热温升之间的竞争决定了不同应变率下的动态力学行为。一方面,提高应变率会促进马氏体相变,有利于“相变诱导塑性”;另一方面,更高的应变率会加剧局部瞬时温升,引起应变局域化。总的来说,“相变诱导塑性”极大提高了块体非晶复合材料的动态力学性能,这使其在高速高载能工程应用方面具备巨大的潜力。