材料科学 毕业设计

毕业设计太原科技大学王鲁东轧制对Zr60Al15Ni25块体非晶合金微观结构的影响内容提要•论文的提出•文献综述•论文研究的目的及意义•实验部分•实验结果分析•主要结论论文的提出•非晶合金具有一系列优异的性能，但其在热力学上处于亚稳态，加热至一定的温度时将发生晶化。另外，人们发现了塑性变形同样能够诱导非晶合金的晶化，并且有望成为制备新型非晶基复合材料的有效手段之一。非晶合金在工程应用中，不可避免地将发生塑性变形，其产生的结构变化会对材料的各种性能产生明显的影响。因此，了解塑性变形诱导非晶合金晶化的微观机制具有重要的科学意义和工程应用价值。文献综述大块非晶合金的制备•迄今为止已用于制备大块非晶合金的缓冷凝固工艺通常有高压压铸法、水淬法、铜模铸造法、电弧熔炼法、定向区熔法和吸铸法等。其中水淬法和铜模吸铸法最为常用。大块非晶合金的结构特征•只存在小区间内短程有序，近邻和次近邻的原子键合•其结构与液态很相似，不存在成分偏析、夹杂物和第二相•作为一种亚稳态材料，室温下非晶相与晶化相之间存在着很大的自由焓差，在适当条件下，非晶相必然发生向稳定的晶态结构转变•型大块非晶合金至少有3个组元，这些组元都为普通金属元素大块非晶合金的晶化及其晶化途径•非晶相的吉布斯自由能高于相应的晶态相，因此非晶合金的原子在热力学上处于亚稳态，在适当的条件下（如加热或塑性变形），它就要向能量较低的亚稳非晶态或平衡晶态转变。•非晶合金的晶化是一个形核和长大过程，其驱动力为非晶相和结晶相之间的自由能差。•其晶化途径主要有加热诱导非晶合金的晶化和塑性变形诱导非晶合金的晶化本文的研究内容及意义研究内容•1）塑性变形对非晶合金热稳定性的影响，以探讨非晶合金机械稳定性与热稳定性区别与联系。•2）研究了大块非晶合金的塑性变形机制。•3）研究了大块非晶合金在塑性变形过程中微观结构的变化。研究意义•通过科学评价局部热效应与塑性流动在塑性变形诱导非晶合金晶化过程中的主导地位，为从根本上揭示塑性变形诱导非晶合金晶化的微观机制指明研究方向，从而使得在原子尺度上认识塑性变形过程中合金原子的扩散特征更具针对性。•为制备新型非晶基复合材料提供理论依据。通过适当的塑性变形实现非晶合金的晶化，从而获得需要的材料性能。实验部分熔炼，铜模吸铸法原始母合金铸锭大块非晶合金轧制处理X-射线衍射分析(XRD)扫描电镜分析（SEM）高分辨透射电镜分析（HREM）差示扫描量热分析仪(DSC)实验流程图•合金成分的选择•原始母合金铸锭的配制•块体非晶试样的制备•轧制处理水冷套铜模熔炼炉体电弧真空容器阀门冷却水合金料实验步骤•XRD检测•扫描电镜分析（SEM）•高分辨透射电镜分析（HREM）•DSC测试微观结构测试实验结果及分析Zr60Al15Ni25非晶合金轧制后的热稳定性•非晶合金的稳定性分热稳定性和机械稳定性。•非晶合金的原子在热力学上处于亚稳态，在适当的条件下，它就要向能量较低的亚稳非晶态或平衡晶态转变。在较低的温度下，一般向较稳定的亚稳非晶态转变，这个过程称为结构驰豫。•非晶合金在加热过程中，首先发生玻璃化转变（吸热过程），随后发生晶化（放热过程）。一般用过冷液相区∆Tx来表征非晶合金的热稳定性。一般来说，∆Tx越大，表明非晶合金的热稳定性越好，相应合金的玻璃形成能力（GFA）就越大。•如右图示，可以看出，随变形量的增大，Te-Tx呈上下反复波动变化，总体下降。也就是说，与铸态相比，轧制试样晶化过程较短，晶化速率高，这表明轧制样品比铸态有着更有序的原子结构，使其在后来加热晶化过程中晶化较为容易。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%50556065707580轧制变形量ε（%）Te-Tx/KTe-Tx与ε变化关系图轧制过程中的微观结构变化•低应变速率的轧制使Zr60Al15Ni25合金原子组态发生了有序化和无序化之间的可逆相变。整体趋向于有序，发生了晶化。这个过程是扩散控制的有序化和剪切应力诱导的无序化两个相反过程竞争选择的结果。660680700720740760780800820840←--放热热流(mw/mg)温度(K)(a)ε=95%ε=90%ε=80%ε=30%ε=20%ε=10%As-cast右图为铸态和一些轧制试样的DSC曲线，所有的曲线都有一个表征玻璃化转变的吸热峰和随后的晶化放热峰，通过计算放热部分的面积，得到各种变形量的晶化放热焓。放热焓表征晶化过程中能量变化，因此，可以用来度量原子的有序或无序度。放热焓越大，表明原合金原子组态的有序度越低，相反则原子组态的有序度越高。铸态和一些轧制试样的XRD图•右图中，在变形量为10%时，放热焓降低，这表明初步的轧制使原子更加有序。随着变形量的不断增加，放热焓上下反复波动，整体趋于减小。需要指出的是，由于实验数据有限，并且在数据处理过程中DSC基线的误差，Zr60Al15Ni25非晶合金发生相变的ε拐点并不一定就是本文所提供的确切数值，但这些数据足以反映出微观结构发生变化的趋势。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%889296100104放热焓（ΔH/Jg-1）轧制变形量ε（%）(b)通过Lorentz模拟得到的相应主衍射峰的FWHM值•右图为轧制变形量为ε=30%的Zr60Al15Ni25非晶合金在室温轧制后条带中心部分区域的SEM图。从图中可以看出，在非晶基体上分布着较宽白色条带区域（图中黑色短箭头所示），这是在轧制过程中塑性变形导致的材料堆积所致。在这些塑性变形区域周围出现了大量剪切带（白色箭头所示）。剪切带的出现表明轧制过程中Zr60Al15Ni25发生了非均匀变形。图3-4轧制变形量ε=30%的Zr60Al15Ni25非晶样品SEM图•如右图，（a）中明显地显示了剪切带的存在。在透射电镜图像中，这些剪切带为白色条带，这是因为这些区域比周围没有变形的基体更容易被电解液腐蚀。在剪切带内部出现了相分离甚至纳米晶化。如图（c）中白色圆内部所示，与基体相比，这部分原子取向相同，表现了高度的有序化特征。变形量为95%的轧制样品HREM主要结论•本文利用XRD、DSC和SEM和HREM等实验手段对Zr60Al15Ni25非晶合金在室温轧制过程中的微观结构变化及热稳定性进行了研究，利用自由体积理论就微观结构变化对力学性能的影响进行了研究。主要得到如下结论：•（1）低应变速率的轧制使Zr60Al15Ni25非晶条带出现了剪切带。剪切带内合金原子组态发生了有序化和无序化之间的可逆相变。这个过程是扩散控制的有序化和剪切应力诱导的无序化两个相反过程竞争选择的结果。•（2）当轧制使非晶合金更加有序时，在短程有序区晶核更容易形成，这造成了非晶合金的热稳定性降低，因此经轧制后Zr60Al15Ni25非晶合金更容易发生晶化。HREM结果表明经轧制变形的非晶合金剪切带内发生了晶化。