氢对锆基块体非晶合金力学性能的影响

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非晶合金结构中存在许多松散的原子团簇和自由体积,可提供潜在的氢占位与扩散通道,是一类潜在储氢、透氢材料,而在实际应用时除考虑上述性能外,还需关注不同氢含量下的非晶合金力学性能,但目前针对该方向仍缺少足够的实验数据与机制研究。另外,氢也可以作为一种探针用于非晶合金的微观结构和本质的研究。因此,氢与非晶合金的相互作用的研究已成为非晶合金领域的又一研究方向。本文以Zr基块体非晶合金为研究对象,采用氢氩等离子电弧熔炼法,制备了不同氢含量的Zr55Cu30Al10Ni5、Zr64Cu24Al12和Zr66Cu22Al12三种典型块体非晶合金,系统研究了氢对Zr基块体非晶合金微观结构、纳米压痕变形行为、室温与高温压缩性能等方面的影响规律,并进一步分析了其影响产生的原因。研究结果表明:(1)含氢合金仍能保持完全非晶态结构,并且氢的添加使Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金的过冷液相区宽度增加6℃。(2)氢的添加使Zr基块体非晶合金维氏硬度明显下降,压痕周围剪切带增多;Zr基块体非晶合金的纳米压痕硬度与弹性模量也随着氢含量的增加而显著降低;不同氢含量的Zr基块体非晶合金的纳米压痕载荷-位移曲线加载部分均出现不同程度的锯齿流变现象,随着氢含量的增多,曲线上台阶数目减少、宽度降低,锯齿流变现象逐渐减弱,从剪切带形成过程的角度,此影响与加载速率增加的压入过程影响等效;不同氢含量的Zr基块体非晶合金均表现出了室温蠕变现象,而且蠕变位移和蠕变应力指数均随着氢含量的增多而增大;氢的添加使Zr基块体非晶合金纳米压痕加载阶段与保载阶段的激活能、剪切转变区体积以及所含原子数等内部流变单元参数均增加,表明氢的添加使非晶合金内部更加“活跃”,促进剪切带的孕育与增殖,塑性变形更加容易进行;此外,Zr含量的增加会促进这种氢致软化行为的进行,而组元数的增加则会使其延缓。(3)随氢含量的增多,Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金室温塑性得到明显的提高,其压缩锯齿流变中的应力降幅也随之逐渐趋于稳定在较小范围值内,相对应的断口形貌中的脉络状花纹分布逐渐紧密,侧面剪切带也随之增多,且相互交割、分支、阻止现象明显增多。(4)Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金在过冷液相区的热变形行为对氢含量的变化非常敏感,在0.017wt.%氢含量时,氢能够使合金的流变应力显著降低,而当氢含量超过0.017wt.%时,流变应力反而增大,是由于非晶合金局部晶化,产生纳米晶所导致的。
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