铁基块体金属玻璃及其复合材料强韧化的研究

《铁基块体金属玻璃及其复合材料强韧化的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学博士学位论文摘要Fe基块体金属玻璃以其高强度，高硬度，高弹性极限以及低廉的材料成本等优异性能，使其成为产业化前景非常广阔的下一代结构材料。然而，极低的室温塑性变形能力极低（压缩塑性应变通常低于0.2%），严重限制了Fe基块体金属玻璃的广泛应用。因此，开发新型的高强度并兼有良好塑韧性的Fe基块体金属玻璃及其复合材料，成为当前结构材料前沿领域的热门课题，具有重要意义。根据形成组元的不同，Fe基金属玻璃可大致划分为Fe(B,Si)-系和Fe(P,C)-系两大类型，其中Fe(P,C)-系金属玻璃具有较好的塑韧性。为了提

2、高Fe基金属玻璃的室温塑性，本文提出了发展单一“α-Fe”韧性相增强的Fe基块体金属玻璃基内生复合材料的设想。依据这一研究思路，通过合理的成分和结构设计，开发了一系列新型铁基块体金属玻璃及其复合材料。利用X射线衍射分析仪（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、示差扫描量热仪（DSC）、万能材料试验机等实验手段系统研究了其显微结构、热稳定性及室温力学行为。主要的结论概括如下：（1）通过电弧熔炼/水冷铜模吸铸技术，利用适量的Ni部分替换Fe，获得了具有良好室温塑性变形能力的新型(Fe

3、0.8Ni0.2)71Mo5P12C10B2块体金属玻璃，压缩塑性应变超过5%，这归因于其玻璃转变温度Tg和冷液相区∆Tx的降低，在外载荷作用下，金属玻璃结构易于失稳而展现出更好的塑性变形能力。（2）根据相选择理论，在FeMoPCB金属玻璃中，首次获得了含有均布于玻璃相基体上的单一α-Fe枝晶相的Fe金属玻璃内生复合材料。在形变过程中，韧性α-Fe枝晶相在抑制合金单一剪切带的迅速失稳扩展的同时，也促进了多重剪切带的萌生，使得Fe77Mo5P9C7.5B1.5金属玻璃基复合材料展现出比单一Fe基金属玻璃具有更好的室温塑性变形

4、能力，1mm直径压缩样品的宏观压缩塑性应变超过30%。（3）以Fe75Mo5P10C8.3B1.7单相金属玻璃为初始合金，分别沿简化的Fe-Mo-(PCB)I华中科技大学博士学位论文成分三角形中水平向右和右下角富Fe端方向开发了一系列玻璃基内生复合材料。研究发现，沿水平向右方向制备的复合材料，其第二相分布更均匀。而沿右下角方向获得的复合材料，其第二相呈现“螺旋状”的不均匀分布，这主要是由于类金属和金属Mo含量的减少，破坏了初始合金的玻璃形成能力所致。（4）当α-Fe树枝晶原位析出的体积分数少于5%时，不能有效阻碍主剪切带的

5、失稳扩展，此时的塑性变形主要依赖于金属玻璃基体。当α-Fe相继续增加至临界体积分数（约30～50%）时，析出相相互连接，形成“手拉手”的网状分布，复合材料中的局域剪切断裂源隔离为一个个孤立的局部剪切区域，此时材料表现出宏观塑性变形。当第二相的体积分数超过逾渗阈值后，塑形变形能力下降。（5）通过单边缺口三点弯曲试验，得到了Fe75Mo5P10C8.3B1.7单相金属玻璃、Fe77Mo5P9C7.5B1.5和Fe79Mo5P8C6.7B1.3金属玻璃基复合材料的缺口断裂韧性分1/21/21/2别为：27.2±2.1MPa-m、

6、36.7±4.3MPa-m和25.5±4.0MPa-m。研究指出，低的玻璃转变温度Tg和剪切模量G，是Fe75Mo5P10C8.3B1.7单相金属玻璃具有良好断裂韧性的主要原因。（6）TEM结果表明，Fe77Mo5P9C7.5B1.5金属玻璃基复合材料中析出的第二相为单一的α-Fe相。韧性的α-Fe相能够有效地避免裂纹快速失稳扩展，同时促进了裂纹分叉，使得Fe77Mo5P9C7.5B1.5金属玻璃基复合材料具有更好的缺口断裂韧性。然而，随着Fe含量继续增加，Fe79Mo5P8C6.7B1.3复合材料中的α-Fe韧性相体积分

7、数增加的同时，在枝晶间还析出一些Fe2MoP12硬脆相，使得Fe79Mo5P8C6.7B1.3合金的断裂方式以沿晶断裂为主，导致缺口断裂韧性下降。关键词：铁基块体金属玻璃；复合材料；塑性变形；断裂韧性II华中科技大学博士学位论文AbstractFe-basedbulkmetallicglasses(BMGs)arecharacterizedbyultrahighstrength,largeelasticstrainandrelativelylowmaterialcost,themostsignificantdisadvan

8、tageoftheBMGsisthelackofmacroscopicplasticity(usuallylessthan0.2%compressiveplasticstrain)atroomtemperature.Forindustrialapplications,itisofgreatinteres