元素添加对Fe基块体非晶合金形成能力、软磁和力学性能的影响

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非晶合金原子排列长程无序,短程有序的特点使得其相较于传统金属而言拥有更加优异的耐腐蚀性和力学性能。其中Fe基磁性非晶合金因其特有的低成本、高强度、以及优异的软磁性能等特点而备受非晶研究领域的关注。然而,有限的非晶形成能力(GFA)和室温压缩脆性限制了其作为结构材料和磁学功能材料的应用。因此,开发兼具大非晶形成能力、优异软磁性能和大塑性变形能力的新型Fe基非晶合金具有十分重大的研究意义。本文通过相似元素替换法和原子半径适配度原则来设计和调整合金组元成分,成功开发了兼具高非晶形成能力、优异软磁性能和大塑性变形能力的Fe56Ni20Mo4P12C4B4和Fe56Ni20Mo4P11C4B4Si1两种新型Fe基非晶合金,为开发高性能软磁非晶合金提供了思路,也为进一步探究成分变化对非晶合金性能的影响提供了基础性的理论指导。概括而言,本文主要的研究内容包括:(1)通过添加Ni元素成功制备出Fe76-xNixMo4P12C4B4(x=0,10,15,17.5,20,22.5,25 at.%)非晶合金带材和棒材,并研究了Ni元素添加对非晶合金的玻璃形成能力、热学性能、软磁性能和力学性能的影响。研究发现Ni元素添加降低了玻璃转变温度Tg,增大了过冷液相区ΔTx(Tx-Tg)宽度,提高了体系的热稳定性。虽然饱和磁感应强度Bs稍有降低,但元素添加之后合金的矫顽力Hc降低,软磁性能得到了提升。与此同时,极大的提高了原体系的塑性,塑性应变从几乎为零提高到了6%。(2)以原子半径较小的类金属元素Si作为新的组成元素,设计并制备了Fe56-xNi20Mo4P12C4B4Six(x=1,2,3,4,5 at.%)、Fe56Ni20Mo4P12-xC4B4Six(x=1,2,3,4,5 at.%)两个新合金体系。发现Si置换P元素提高了合金的非晶形成能力,棒材的临界直径从1.5 mm变成2.0 mm,并且提高了体系的饱和磁感应强度Bs和室温压缩屈服强度、塑性,同时优化了软磁和力学性能。(3)Ni元素和Si元素添加之后,非晶合金的形变机制发生了显著的转变。通过扫描电子显微镜(SEM)断口微观形貌分析,非晶合金从完全的脆性断裂演变成剪切带滑移形变机制,并在Si置换P元素后,出现了多重剪切带交叠、滑移的情况,大大优化了非晶合金的塑性,其室温压缩应变提升到7%。(4)在非晶合金基本设计原则指导下,通过元素添加和比例优化,成功开发出具有大玻璃形成能力(临界尺寸Φ2 mm)、优异软磁性能(饱和磁感应强度Bs 0.94 T、矫顽力Hc 2 A/m)和室温压缩塑性7%的新型Fe基块体非晶合金,其优异的综合性能赋予其潜在的作为结构材料和磁学功能材料的应用价值。
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