内生Ti基非晶复合材料制备及室温力学性能研究

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1、国内图书分类号：TG146西北工业大学工学博士学位论文内生Ti基非晶复合材料制备及室温力学性能研究博士研究生：翟海民导师：刘峰教授申请学位级别：博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料学院答辩日期：2017年05月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG146DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyStudyoftheFabricationandRoom-temperatureMechanicalP

2、ropertiesofIn-situTi-basedBulkMetallicGlassCompositesPh.DCandidate：ZHAIHaiminAdvisor：ProfessorLiuFengDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpeciality：MaterialsProcessingEngineeringSchool：MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：May,2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPoly

3、technicalUniversity摘要摘要非晶合金，由于其短程有序、长程无序的结构特点，因此具有了一系列优异的机械特性和物理特性，被认为是一种潜在的结构材料因而被广泛研究。但是，非晶合金在室温受载后易发生局域剪切所致的脆性断裂，特别是在单轴拉伸时几乎没有任何塑性，这很大程度上限制了其潜在的工程应用。为了克服这个缺点，微米级尺寸的晶体相被引入到非晶基体中阻碍剪切带的失稳扩展，从而提高了塑性，也即内生非晶复合材料。目前已经有许多Ti基、Zr基非晶复合材料被开发和研究，但大部分的工作都集中在研究枝晶相的体积分数和尺寸形貌对非晶复合材料力学性能的影响。然而，已有的

4、实验结果发现非晶复合材料的宏观力学性能还与其枝晶和非晶两相的本征力学性能相关；同时，宏观上应变软化现象的存在导致非晶复合材料拉伸软化，这极大程度地限制了这类内生非晶复合材料的应用潜力。因此，研究非晶复合材料本征力学性质和宏观力学性能之间的关联，不仅具有重要的科学意义，而且蕴含着潜在的工程应用价值。基于此，本文利用铜模铸造法制备了一系列室温塑性优异的Ti基和Cu基非晶复合材料。通过低模量元素和过渡族金属元素的添加有效地调控了非晶复合材料中两相的本征力学性质，从而优化了非晶复合材料的宏观力学性能。同时，通过纳米压痕和超声共振法系统地研究了非晶复合材料中枝晶和非晶两

5、相的本征力学性质，并且讨论了非晶复合材料本征力学性质和宏观力学性能之间的关联性。主要结论如下：(1)通过在Ti47Zr25Nb6Cu5Be17非晶复合材料中添加低模量元素Sn，研究了低模量元素对Ti基非晶复合材料宏观力学性能的影响。结果发现：Sn元素分布于枝晶和非晶两相当中，明显改变了两相的本征力学性质；Sn元素的添加并没有显著地改变枝晶相的平均尺寸和体积分数；Sn元素添加超过3at.%时会导致Zr5Sn3金属间化合物的析出，显著降低非晶复合材料的压缩塑性；随着Sn元素含量的增加，非晶复合材料屈服强度逐渐降低；基于以上结果，提出通过低模量元素添加改变两相本征力

6、学性质来调控非晶复合材料宏观力学性能的设计思路。(2)系统研究了Ti45Zr25Nb6Sn2Cu5Be17非晶复合材料不同应变速率下的应力应变响应和剪切带扩展行为。结果发现：Ti45Zr25Nb6Sn2Cu5Be17非晶复合材料具有负应变率敏感性，即加载应变速率越大，其屈服强度和压缩塑性越低。主要可归结于大应变速率下，绝热剪切导致了更加明显的热效应，从而使得非晶基体发生剪切软化并降低了临界剪切应力，最终使得屈服强度下降；而在小应变速率下，I西北工业大学工学博士学位论文枝晶相剪切带韧性高于非晶基体，使枝晶相可以阻碍和稳定剪切带的扩展；二次剪切带的扩展模式明显决定

7、了Ti45Zr25Nb6Sn2Cu5Be17非晶复合材料的压缩塑性。基于以上结果，合理解释了非晶复合材料中剪切带扩展行为对其宏观力学性能的影响机理。(3)通过利用过渡族金属Ni、Co和Fe元素替代Ti45Zr25Nb6Sn2Cu5Be17非晶复合材料中Cu元素，系统研究了本征力学性质对非晶复合材料宏观压缩力学性能的影响机理。结果发现：过渡族金属元素主要分布在基体中并显著地改变了基体的本征力学性质，而枝晶相的平均尺寸和体积分数没有随之发生明显改变；非晶复合材料的屈服强度明显地由非晶基体屈服强度所决定；增加枝晶相平均应力集中因子可以促进剪切带多重萌生并稳定其扩展，

8、进而提高非晶复合材料的压缩塑性。基于此