镁基非晶材料微观构造与力学性能

《镁基非晶材料微观构造与力学性能》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、镁基非晶材料微观构造与力学性能第1章绪论1.1非晶合金的发展历史自然界的材料有很多种分类方法，如果按照其内部的原子拓扑结构可以分为两大类，即晶态材料和非晶态材料。和晶态材料相比，在非晶态材料中，原子的排列只在几个原子尺度的范围内存在一定的有序度，也就是所谓的长程无序、短程有序[1]，这是非晶态材料的最基本特征。非晶态物质还有其他一些基本特征：如体系在能量上处于亚稳态，具有多重弛豫行为，原子和电子的结构复杂等[2]。非晶态物质种类很多，人们日常见到的许多材料，如塑料、玻璃、橡胶等，都是非晶态材料。非晶态物质在自然界中占据了很

2、大比例，从传统氧化物玻璃到非晶态半导体，再到非晶态合金，非晶态材料已经发展成为支撑现代经济的一种重要工程材料，在人们的生产和生活中发挥了巨大的作用。非晶合金（amorphousalloy），又称为金属玻璃（metallicglass），它与传统氧化物玻璃不同，非晶合金中原子间的结合是通过金属键而非共价键，所以许多与金属相关的性质都被保留了下来，因此，非晶合金兼具金属和玻璃的特征。从某种意义上来说，非晶态结构是无缺陷的，它不像晶态材料那样有位错和界面等缺陷。由于其独有的结构特点，非晶合金的物理、化学及力学性能通常会超过晶态材

3、料[34]，比如世界上最强的金属材料就是Co基非晶合金[5]，其强度高达6GPa。此外一些非晶合金还具有很多独特的性能，比如它的大磁熵、软磁以及蓄冷效应等[6-8]。.1.2非晶合金的形成理论与形成能力判据热力学条件是合金体系能否形成非晶的必要条件。液态物质处在高能态，当其温度降低或者压力升高的时候，会趋向于变化为具有低能态的晶态相。在液态和晶态之间，存在很多热力学亚稳相，其中就包括非晶相。非晶态合金的形成和液态金属的结晶过程是相互竞争的关系，如果液体可以被过冷到玻璃转变温度以下而未发生结晶，合金就可将液态的无序结构保留到

4、固态中，从而形成非晶态合金。根据热力学原理，合金系统自液态向固态转变时，Gibbs自由能变化可表述为G=H-TS，式中的T为温度，H和S分别表示从液相转变为固相的焓变和熵变。G越小，结晶转变的热力学驱动力越低，合金的玻璃形成能力就越高。为了降低G，应使相应的H降低、S增大。多组元会提高S而原子的密集排列会降低H，这也是Inoue提出三条经验准则的热力学基础。Turnbull[30]于1969年在经典形核理论的基础上提出了约化玻璃转变温度Trg，即为玻璃转变温度Tg与合金熔点Tm的比值。如果Tg与Tm之间的间隔变小，则Trg

5、变大，这样熔体就容易在冷却过程中越过Tg与Tl温度间隔而不发生晶化，即合金的非晶形成能力增加。Turnbull认为，当Trg介于1/2与2/3之间时，在深共晶点附近最易得到非晶合金。吕昭平等[31]通过分析Zr基、Mg基、La基等块体非晶合金的玻璃形成能力，发现了更好地反应非晶合金的玻璃形成能力的表示方法，即用Tg/Tl代替Tg/Tm来定义Trg。他们认为随着溶质原子浓度的增加，液相线温度Tl的变化比固相线温度Tm更加明显，尤其是在共晶成分点附近。..第2章实验材料和方法2.1合金体系的选择由于Mg58.5Cu30.5Y1

6、1块体非晶合金已经被报道有非常优异的非晶形成能力[102]，因此本文绝大部分合金都以Mg58.5Cu30.5Y11合金为基体。首先我们向其中加入了Be元素。Be的加入使合金有了形成相分离的可能。该合金体系的相关内容将在第三章具体介绍。最近，Kinaka[103]报道了添加Ti粉末的Mg基非晶复合材料有非常好的塑性变形能力，因此还向Mg58.5Cu30.5Y11合金中添加了Ti元素。同时，我们注意到Ti-Be二元合金也是一个非晶形成体系，所以我们还向Mg58.5Cu30.5Y11合金中以共晶成分Ti70Be30的比例同时加入

7、了Ti、Be。这两种合金体系的相关内容将在第四章介绍。此外，还向Mg58.5Cu30.5Y11合金中加入了具有非常好的玻璃形成能力的Zr35Ti30Be27.5Cu7.5合金[104]。需要指出的是，Zr、Ti和Be元素与合金的主要元素Mg之间都具有正的混合热（Zr-Mg：+6kJ/mol，Ti-Mg：+40kJ/mol，Be-Mg：+92kJ/mol[105]）。并且通过二元相图可以看到，Zr和Mg之间在液态下不互溶，存在一个互溶缺口。这些因素都是合金发生相分离的条件。该合金的相关内容将在第五章介绍。除此之外，本文还研究

8、了Mg81Ni8Zn5Y6长周期增强Mg基非晶合金复合材料的微观结构、元素分布、力学性能和断裂机制。该合金的相关内容将在第六章介绍。综上，本文所选取的合金体系主要有以下几种：Mg-Cu-Y-Be、Mg-Cu-Y-Ti、Mg-Cu-Y-Ti-Be、Mg-Cu-Y-Zr-Ti-Be以及Mg-Ni-Zn-Y等