Co元素替换对ZrCuAlNi非晶合金性能影响及其晶化行为研究

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本文采用非自耗电弧炉熔炼与铜模铸造相结合的技术,成功制备出直径为2-8mm的Zr55.7Al11.3Ni5-xCu28Cox(x=0,1,2,3,4,5at.%)体系块体非晶合金。用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、能谱仪(EDS)和Instron万能材料试验机等测试分析技术,研究了Co元素替代Ni元素对Zr55.7Al11.3Ni5-xCu28Cox合金体系的的非晶形成能力、热稳定性、晶化行为以及力学性能的影响。XRD与DSC测试结果显示,随Co元素添加量的增加合金的非晶形成能力呈现出先逐渐增强,后减弱的趋势。当Co元素的含量为2at%时,其约化玻璃转变温度Trg达到最大值为0.6147,此时对应的最大临界尺寸为8mm。这是因为Co元素的添加增加了合金体系的混乱程度,提高了体系位形熵,使合金冷却过程的原子重排以及形核受到阻碍的缘故。力学性能测试显示,压缩断裂强度随Co元素含量的增加呈现先缓慢增加至最大强度后快速减小的趋势。在Co元素含量为2at%时的压缩断裂强度达到了1940MPa的最大值,对应的最大压缩应变量为7.41%。由此可见,Co元素的添加对该体系非晶合金的力学参数产生积极影响,适量的元素Co的加入,可获得更优异的力学性能。用差示扫描量热分析仪(DSC)在5个不同的升温速率条件下,研究了Co元素添加量对合金体系的热稳定性和晶化行为。随Co元素含量的增加,合金体系的过冷液相区宽度变化与非晶形成能力的变化趋势相一致,在Co元素的含量为2at%时,过冷液相区宽度到达最大值61K。同时利用Kissinger方程计算了非晶合金的晶化激活能,其中在Co元素含量为2at%时,其结晶开始激活能Ex和结晶峰位置激活能Ep的数值分别为316.4(KJ/mol)和320.5(KJ/mol),显示了良好的热稳定性。选用Zr55.7Al11.3Ni3Cu28Co2体系非晶合金,分别进行了5个加热保温时间的预退火处理,用DSC、SEM和EDS测试技术对非晶合金预退火处理的组织与成分进行了研究。探索预退火过程该合金体系的结构变化对力学性能与断裂机制的影响。
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