等温退火及微合金化对ZrTiNbCuNiBe合金组织与性能的影响研究

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缺乏室温塑性极大地限制了块体非晶合金的应用,通过复合化得到非晶基内生枝晶复合材料能够有效提高塑性,研究其结构和性能的稳定性具有重要的理论与实践意义。本文采用XRD、SEM、TEM、DSC、纳米压痕和室温准静态压缩等多种方法研究等温退火及Ta微合金化对Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5 (LM2)非晶复合材料组织与性能的影响。在503K对LM2合金进行等温退火处理后,材料仍主要由非晶基体和树枝晶两相组成,但少量树枝晶从bcc结构转变为hcp结构,非晶基体中也析出了少量的金属间化合物。热处理未影响LM2合金的晶化过程,但是材料的玻璃转变温度随着退火时间的延长而提高,过冷液相区宽度减小,合金热稳定性逐渐下降。在纳米压痕条件下测定出铸态LM2合金中非晶基体和树枝晶的平均硬度分别为5.38±0.4GPa、3.47±0.3GPa,平均弹性模量分别为87.4±6GPa,61.4±6GPa。退火后都有不同程度的提高,两相的平均硬度分别为5.53±0.5GPa、4.09±0.2GPa,平均弹性模量分别为92.8±8GPa、75.9±8GPa。在室温准静态压缩条件下,铸态LM2合金塑性应变为13.1%,屈服强度和断裂强度分别为1403MPa和1604MPa,等温退火后塑性逐渐降低但是强度都有不同程度的提高。32小时退火后塑性应变降低至2.2%,屈服强度和断裂强度分别为1706MPa和1774MPa。根据结构弛豫热焓计算非晶基体自由体积的变化,结果表明自由体积随退火时间增加呈指数关系减小,符合KWW规律,32小时退火后自由体积约为铸态的10%。通过有限元模拟铸态LM2合金中的热残余应力,结果表明非晶基体中的残余拉应力可达237MPa,树枝晶中的残余压应力可达-74MPa,两相界面处存在一定的应力梯度和应力集中。随着枝晶体积分数增加,拉应力逐渐增大而压应力逐渐减小。分析表明等温退火后非晶基体自由体积的减少,树枝晶韧性的下降是LM2非晶复合材料塑性降低的主要原因,热残余应力的消除也对塑性有一定的影响。在LM2合金中添加1at.%的Ta元素后,促进了树枝晶的形成,使枝晶体积分数从30%增加到40%,枝晶长度从15-30μm增大到100-150μm。此外,元素Ta增加了非晶复合材料的热稳定性,影响了合金的晶化行为。铸态LM2-Ta合金的压缩塑性应变为8.2%,屈服强度和断裂强度分别为1604MPa和1740MPa。
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