金属玻璃论文

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1、摘要：Zr基合金和Cu基大块非晶合金都是目前很有前途的结构材料，也是目前 研究的一个热点。而Zr-Cu基金属玻璃同时具备Zr基金属玻璃比强度、比刚度 高，耐蚀性好等优点和 Cu 基金属玻璃很高的抗拉、抗压强度，很好的塑性等优 点。针对非晶态合金的形成机理形成金属玻璃，从纯属类的金属玻璃中选择出相 应的高、低玻璃转变温度差异明显的体系，很不适用。目前缺乏一种令金属玻璃 形成过程中处于一种中间状态，既快速冷却又恒温低温催化。本文研究渗碳对 Zr-Cu 基合金(例如： Zr-Cu-Al 合金)组织形貌和相组成的影响。关键字：金属玻璃;Zr基合金；Cu基大块非晶合金；非晶态合金(Amorphous a

2、lloys )是指以金属元素作为主要成分，并保持金 属键特性的非晶态固体。与相应的晶体材料相比较，非晶态合金具有许多优异的 性能：如高强度、良好的软磁性及耐腐蚀性能等，在许多领域有广泛的应用前景， 因而得到了广泛的关注和研究。金属玻璃 (Metallicglass) 一般特指通过熔体 过冷形成的非晶态合金。美国加州理工学院的 Duwez 教授是金属玻璃研究的先 驱。金属玻璃领域早期的研究工作主要集中在二元合金体系，最近，研究者在简 单的 Cu-Zr 二元合金体系中制备出大块金属玻璃 30-33 ， Cu Zr 、 Cu Zr 和64 36 64.5 35.5Cu Zr 合金成分可以制备出最大直

3、径达 2mm 的金属玻璃棒。这一发现给金属玻50 50 璃研究领域带来了全新的概念，并将推动大块金属玻璃理论和应用的发展。本文基于ZrCuAl (三种元素的摩尔比为1:1:1)合金可能与十八电子规则有 一定的相关性，且十八电子规则的非金属簇化物类一般具有特殊的催化性，基于 对金属玻璃类合金的考虑， Zr Cu AlY 合金是目前所报导的典型 Zr-Cu 基金属 42 46 7 5玻璃中具有较好玻璃形成能力的典范，因此选取 ZrCuAl 合金和选取 Zr Cu AlY42 46 7 5 合金进行渗碳处理。1 渗碳对 ZrCuAl 合金组织结构和相组成的影响1.1 相图分析图 1-1 为 Zr-C

4、u-Al 三元系的等温截面图。由图可知， Zr、 Cu、 Al 三种元素 可以形成的合金有AlCuZr、AlCuZr、Al CuZr、Al Cu Zr。此图还可以看出，Zr、2 5 2 5 7Cu、 Al 三种元素还有可能形成 Al CuZr 、 Al CuZr 、 Al Cu Zr 合金。图中星13 5 2 50 8 42 51 12 37形处为AlCuZr初始合金的成分标定点。图中圆形处为AlCu Zr相的成分标定点。2图 1-1 Zr-Cu-Al 三元系的等温截面图Figure 1-1 Zr-Cu-Al system alloy of isothermal section graph图1

5、-2为Zr-C-Al三元系的等温截面图。由图可知，Zr、C、Al三种元素可以形成的合金有AlCZr、Al CZr、Al C Zr、Al C Zr。图中星形处为AlC Zr相的2 3 5 3 4 2 3 5 2 2成分标定点。图中圆形处为ZrC相的成分标定点。Al-C-ZrC1 AlCaZr2 Ai3CZr5 3 AbCqZr?4 AlaC&Zr2Al3Zr Ai2Zr AlZr3 Al3Zr4 AJ3Zr3 AlZr3(Zr)(llT)图 1-1 为 Zr-C-Al 三元系的等温截面图Figure 1-2Zr-C-Al system alloy of isothermal section gr

6、aph1.2 XRD 分析图3-3为合金A（ZrCuAl初始合金）的XRD图谱。由图可以明显的看出，ZrCuAl 相的衍射峰。由图还可以看出，此合金中还含有其它未知相。II.ZrCuAl 卜 Unidentified203040506070802 H （degree）sua=图 3-3 为合金 A（ZrCuAl 初始合金）的 XRD 图谱Figure 3-3 XRD pattern of alloy A（initial ZrCuAl alloy）1.3 SEM 相组成分析将合金A、B、C、D的点打成分表，分别为合金A （初始ZrCuAl合金）合金B （渗碳后的ZrCuAl合金）合金C （在80

7、0C保温2h的渗碳后ZrCuAl合金）和合金D （在900C保温2h的渗碳后ZrCuAl合金）。这四个合金样品的点打成分中各个元素的摩尔比例，并且结合这四个合金样品的背散射照片，可以确定其相组成。因此得出：ZrCuAl初始合金中含有ZrCuAl相和ZrCuAl相，而渗碳后的4ZrCuAl 合金样品中含有 ZrCuAlC 相，可以初步认为， ZrCuAl 初始合金中渗入了2C 原子。此外，保温处理的两个样品，其相组成也不同于渗碳后的样品合金。1.4 SEM 组织形貌分析渗碳后的 Zr-Cu-Al 合金的块体相与 Zr-Cu-Al 初始合金中的块体相相比，其 组织形貌不同，说明渗碳处理对 Zr-C

8、u-Al 初始合金的组织结构产生影响。而对 于合金 C 中块体相为 ZrAlCu 相和 ZrAlC 相组成的复合相，这进一步说明了在22800C保温保温处理时合金发生扩散均匀化。在合金C中仅有灰白色基体和灰黑 色块体相，而在合金D中不仅含有4白色基体，还出现了菠萝相和团簇相，再由 各相的成分组成不同这说明对渗碳之后的ZrCuAl合金样品进行800C和900C保 温处理，使其相组成变化不同，也使其组织形貌变化不同。2 渗碳对 ZrCuAlY 合金组织结构和相组成的影响42467 5同理重复上述方法步骤。相图分析。可知 Zr 、 Cu 两种元素可以形成的合金有 CuZr 、 CuZr 、 CuZr

9、 、92511483CuZr 、 CuZr、 CuZr ；Cu 元素中可以固溶一定量的 Al 元素，并且固溶度很大，10 7 2Al元素中可以固溶少量的Cu元素；Zr元素中可以固溶一定量的Al元素，并且 固溶度很大； Zr 元素中可以固溶少量的 Y 元素， Y 元素中也可以固溶少量的 ZrXRD分析。根据Zr Cu Al Y初始合金的XRD图谱，可得ZrCu相和Cu Zr相42 46 7 5 10 7的衍射峰，且无其它明显物相的衍射峰。根据Zr Cu AlY初始合金的断面状态，42 46 7 5可得在 Zr Cu Al Y 基体合金的 XRD 图谱上，无明显的非晶衍射峰。根据渗碳后42 46

10、7 5Zr Cu Al Y合金的XRD图谱，可得ZrCu相和Cu Zr相的衍射峰，且还有未知相42 46 7 5 10 7的衍射峰。根据在900C保温2h渗碳后的Zr Cu Al Y合金的XRD图谱，可得ZrC42 46 7相、Cu Zr相和Cu Zr相的衍射峰，且还有未知相的衍射峰。8 3 10 7SEM相组成分析。结果分析可得：Zr Cu Al Y合金体系中在高温保温时，42 46 7 5样品中有可能渗入 Si 元素，这里把它看成杂质元素，在样品的相组成中不给予 体现；可以确定Zr Cu Al Y初始合金的基体组织为ZrCu相和Cu Zr相组成的共42 46 7 5 10 7晶组织；渗碳后

11、的Zr Cu AlY合金组织形貌中出现了 ZrCuC，且固溶少量的Al42 46 7 5元素和ZrCu；在800 C保温2h渗碳后的Zr Cu AlY合金中，存在ZrCuC且固溶42 46 7 5少量的Al元素；在900 C保温2h渗碳后的Zr Cu AlY合金中，存在Zr Cu C。42 46 7 5 2 4 3SEM 组织形貌分析。由于 Zr Cu Al Y 初始合金和渗碳后 Zr Cu Al Y 合金的42 46 7 5 42 46 7 5组织形貌的明显不同，可以说明对 Zr Cu AlY 合金进行渗碳处理，可以使基体42 46 7 5的组织形貌发生明显变化，同时，对渗碳之后的 Zr C

12、u Al Y 合金进行保温处理42 46 7 5也使其组织结构和相组成产生显著影响。其原因可能为渗碳之后对合金样品进行 保温处理时，合金发生进一步扩散均匀化。各原子充分扩散，使得组织更加均匀， 使其原有形貌消失，同时相组成也发生变化。3 讨论本实验主要研究渗碳对Zr-Cu基合金组织结构和相组成的影响，并且初始合 金主要选取 ZrCuAl 合金、 Zr Cu Al Y 合金。42 46 7 5对于ZrCuAl合金，渗碳前后样品的组织形貌和相组成不同。首先由表1-1 可知，合金A的点打成分表中没有显示出C元素，而合金B的点打成分表中显示 出C元素，这有可能说明渗碳后的ZrCuAl合金中渗入了 C元

13、素。其次在1.3节 中分析出初始合金为ZrCuAl合金，且灰黑色块体相中不含C元素，但合金B中 出现了含有C元素的块体相，这说明渗碳处理可能使基体合金的相组成发生了变 化。最后从组织形貌上看，由SEM组织形貌分析可知，在高、低倍显微镜下，合 金B中灰黑色块体相的形状与分布都不同于ZrCuAl基体合金中的灰黑色块体相， 这说明渗碳处理使基体合金的组织结构发生了变化。综上所诉，对 ZrCuAl 初始 合金进行渗碳处理，可以使该整块合金的组织结构和相组成发生明显的变化。此外，在进行实验过程中，对 ZrCuAl 初始合金进行渗碳处理之前，其初始 组织的断面状态是光亮的，并且用锤子很容易砸开初始 ZrC

14、uAl 合金。但渗碳之 后，样品的断面状态是呈灰暗色的，并且用锤子不容易砸开，这可以充分说明渗 碳前后，样品一定发生了明显的变化。结合SEM分析和断面观察，ZrCuAl初始 合金实现了整块合金渗碳。同样，对于 Zr Cu Al Y 合金，渗碳前后样品的组织结构和相组成也完全不42 46 7 5同。首先由 SEM 相组成分析可知， Zr Cu Al Y 初始合金的点打成分表中没有 C42 46 7 5元素，而渗碳后的 Zr Cu Al Y 合金的点打成分表中显示出了 C 元素，说明渗碳42 46 7 5后的 Zr Cu Al Y 合金中渗入了 C 元素。其次分析出渗碳之前初始合金为42 46 7

15、 5Zr Cu Al Y 合金，但渗碳后的 Zr Cu Al Y 合金中出现了 ZrCuC 相，这说明了渗42 46 7 5 42 46 7 5 碳处理使初始合金的相组成发生了显著的变化。最后从组织形貌上看，由 SEM 相组成分析可知，渗碳前后样品的组织形貌完全不同， Zr Cu Al Y 初始合金样42 46 7 5 品的组织形貌呈均匀的共晶组织，渗碳后的 Zr Cu Al Y 合金样品的组织形貌呈42 46 7 5 竹节状区域与纤维区域相间的形貌，并且竹节区与纤维区之间存在纤维束，这进 一步说明渗碳处理使初始合金的组织结构发生了显著变化。 渗碳后的 Zr Cu Al Y 合金中出现了竹节状

16、与纤维状区域，意味着恒温催化的可能性，因42 46 7 5 此该研究具有重要的意义。当然，这需进行进一步实验才能验证。本实验由于时 间限制，不进行进一步讨论。同时，对于 Zr Cu Al Y 合金来说，渗碳后形成了竹节相和粉末相组织，这 42 46 7 5种渗碳前后样品组织形貌的显著变化，且样品整个组织形貌均匀一致，可以认为 是产生了恒温低温催化合成现象。4结论本文给出了四点结论：（1）Zr-Cu-Al 合金渗碳处理后，样品的组织结构变化不太明显，但是相组 成发生明显的变化，这在一定程度上表明整个样品渗碳合金化成功。（2）Zr Cu Al Y 合金渗碳后出现了竹节状与纤维状区域，甚至可能出现了

17、42 46 7 5ZrCuC 相等金属陶瓷相，组织结构和相组成都发生了显著的变化，表明渗碳成功。(3) Zr-Cu-Al合金渗碳后800C和900C保温处理，组织结构和相组成发 生一定程度明显的变化，表明保温处理对 Zr-Cu-Al 渗碳合金的组织形貌和相组 成有一定的影响。(4) Zr Cu Al Y合金渗碳后800C和900C保温处理，竹节状与纤维状区42467 5域消失，甚至出现很大的宏观孔洞，表明保温处理显著影响样品的组织结构和相 组成。致谢本次实验是在吕宝臣老师的悉心指导下完成的。从课题选择、方案论证到具 体设计和调试，无不凝聚吕老师的心血和汗水。在实验过程中，吕老师多次亲临 实验室耐心的指导我进行实验，其严谨的教学态度给予了我们很大的帮助。在此， 对吕老师的悉心帮助表示衷心的感谢。另外，对王洪才老师的帮助也表示诚挚的 谢意。对在实验中给予我支持和技术指导的材料科学与工程系的全体老师表示衷 心的感谢。同时也感谢同组的孙开宇、王白羽、孟凡娇、姚兰同学，在他们的全 力帮助下，我才能够顺利的完成实验。本工作主要由博士科研启动基金(No.09416)项目提供资金支持。由于本人水平和实验条件有限，论文中难免有不足之处，请老师和同学不吝 赐教。谢谢！