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1、 华 北 水 利 水 电 学 院毕 业 论 文 任 务 书论文题目：块体金属玻璃的制备与性能的研究专 业：材料成型及控制工程 班级学号： 材 控 2006 姓 名: 指导教师： 设计期限：2010年3月 3 日开始2010年6月11日结束 院、系： 机械学院 2010年3月5第 I 页 华北水利水电学院毕业论文一、毕业论文的目的1. 熟悉查阅与所研究课题相关的文献资料，了解非晶态金属合金的起源、发展历程、原子结构特征及表征方法；2. 了解块体金属玻璃（BMG）的形成条件及室温力学行为；3. 熟悉熔体水淬的方法制备Zr基V1合晶材料；4. 学会表征含有相枝晶/球晶的Zr基BMG复合材料的微观组织
2、和室温压缩力学行为。二、主要内容1. 查阅近5年来发表在国内材料类主要专业期刊的有关块体金属玻璃及其复合材料方面的研究性论文15-20篇，尤其注意内生塑性晶体相/块体金属玻璃复合材料方面的文章，并仔细阅读；通过此过程达到熟悉文献查阅方法、了解所研究课题的国内外最新进展，写出开题报告，并完成毕业论文的前言部分。2. 熔体水淬法制备Zr基V1合晶材料；。3. 分别通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等方法表征复合材料试样的微观组织特性，包括基体的全非晶特性和晶体相的类型、尺寸和体积分数等；根据凝固理论，分析微观组织形成机制。4. 测试复合材料试样的室温压缩性能，讨论复合材料微观组织对
3、室温压缩力学性能的影响，分析其影响机制。三、重点研究问题1. 非晶态材料的表征； 2. 微观组织形成机制；3. 微观组织对室温压缩力学性能的影响及机制。四、主要研究方法选用成分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的合金，通过熔体水淬法制备V1合金试样；分别通过XRD和SEM表征复合材料的微观组织；测试材料的室温压缩力学性能，并通过断口形貌分析和压缩试样表面剪切带与晶体相的相互作用形式，讨论复合材料室温塑性的形成机制。五、论文成果要求1. 每人提交开题报告一份(3000字以上)；2. 提供XRD曲线、显微组织照片；3. 提供室温压缩性能曲线图及相关测试数据，并提供压缩试样断
4、口与表面剪切带SEM照片；4. 提交外文翻译资料(3000字以上)及实习报告各1份；5. 提交毕业论文1份。六、其它进度安排第14周：完成文献查阅工作，并提交开题报告、外文翻译资料；第56周实习（北京），完成部分实验工作并提交实习报告；第79周，补充相关实验工作；第1012周，完成论文初稿；第1314周，论文定稿、装订，做好答辩前的所有准备工作；第15周答辩。华北水利水电学院本科生毕业论文开题报告 2010年3月20日 学生姓名李文琼学号200605914专业材料成型及控制工程题目名称块体金属玻璃复合材料组织与性能研究课题来源科研主要内容1. 课题的提出及研究设想 BMG在具有2GPa断裂强度
5、的同时，还具有2 %左右的大的弹性应变，被认为是极具工程应用前景的结构材料；Zr基合金是迄今为止所有不含贵金属的新型多组元BMG中，具有最大的玻璃形成能力（GFA）的合金体系，尤其是Johnson小组开发的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5（V1合金），约化玻璃转变温度高达0.67的。然而象其它的BMG一样，高度局域化的剪切行为使得Zr基BMG通常在没有明显室温宏观塑性变形的情况下，以突然断裂的方式发生灾难性失效。BMG脆性的室温力学行为已经严重地制约着其作为先进结构材料在工程中的大规模应用，改善BMG的室温宏观塑性已经成为了当今世界各先进国家非晶态合金研究的热点，也导致
6、了一类新型材料BMG复合材料的诞生。在迄今为止所开发的各种BMG复合材料中，通过在熔体冷却过程中析出微米尺度塑性晶体相的方法制备的具有塑性晶体相BMG基体两相微观组织的复合材料，被认为是最具发展前景的。尤其是在熔体冷却过程中原位形成的相塑性树枝晶，能够明显地改善BMG的室温塑性。因此自从Johnson 小组于2000年首次报道在Zr-TiCu-NiBe合金系中加入合金化组元Nb制备出铸态组织由微米尺度伊Zr(Ti，Nb)枝晶和BMG基体组成的新型复合材料以来，人们相继在其它多种合金系中开发出了这种铸态内生塑性晶体相BMG(或纳米晶)基体复合材料。孙国元老师首先利用改变铸态内生塑性晶体相的方法成
7、功地制备出了具有微米尺度球状乒zr(Ti，Nb)固溶体旧MG基体两相铸态组织的新型复合材料，室温单轴压缩时，其屈服强度和极限断裂强度分别达到了1350和1800MPa，断裂前的纯塑性应变达到了12.0%，断裂总应变超过14%;与具有相同成分、含有同样相体积分数的枝晶旧MG复合材料比较，新型复合材料的断裂塑性应变提高了约20%，屈服强度提高了大约13%。孙国元老师将增加晶体相的体积分数与改变晶体相的形态至团球状同时应用于复合材料的制备之中，采用熔体水淬法制备了Zr60Ti14.67Nb5.33Cu5.56Ni4.44Be10。近球状相/BMG新型复合材料，室温压缩时，这种复合材料在大约100DM
8、Pa时屈服，弹性应变极限大约为2%，断裂前的纯塑性应变超过20%。在迄今所开发的所有含Be的zr基BMG复合材料中，这个塑性应变值是最高的。如图112所示，复合材料S1是Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5铸态内生塑性球晶瓜MG复合材料，复合材料S2 是Zr60Ti14.67Nb5.33Cu5.56Ni4.44Be10。铸态内生塑性球晶/BMG复合材料。从已有的研究结果来看：(1)塑性晶体相BMG两相微观组织的形态主要取决于两个因素：相晶体相在固液两相区保温时问与凝固冷却速率。(2)塑性晶体相本身的变形、玻璃基体中的剪切带，以及剪切带与塑性晶体相之间的互作用形式，
9、共同决定着复合材料的力学行为。(3)塑性晶体相的数量、形态和体积分数等，对优化材料的力学性能至关重要。 基于上述分析，本工作选题为“铸态内生塑性球晶/BMG复合材料研究”为研究对象，重点开展了以下方面的研究：(1) 制备不同直径的Zr基铸态内生塑性球晶复合材料试样，表征材料的微观组织;探讨制备条件(不同直径)对Zr基铸态内生相球晶复合材料组织的影响 。(2)Zr基铸态内生塑性球晶/复合材料有优异的力学性能，塑性晶体相的形貌对复合材料性能有显著影响，因此我们开展Zr基铸态内生塑性球晶复合材料的晶体相演化规律和机理的研究。 2. 研究方法与实验设计 针对上述研究设想和研究目的，本工作具体的研究方法
10、与实验设计如下： (1) 就树枝晶的球化机理、相枝晶的球化工艺、球晶/BMG复合材料的制备技术等问题展开研究。在此基础上，利用熔体水淬急冷成形的方法，制备出具有不同尺寸(棒状试样的直径)的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5铸态内生相球晶复合材料试样;xRD、DSC等表征复合材料基体的非晶特性和相的形貌、尺寸和体积分数等， （2） 开展合金的成分设计，结合相球化处理工艺的实施，制备出含有更高体积分数球状相的新型Zr基BMG复合材料；表征材料的微观组织特性和室温压缩应力-应变行为。测试材料的室温压缩性能，观察压缩断裂试样表面和断口的微观结构。 （3） 通过对具有相同
11、成分、含有同样体积分数相枝晶和相球晶的BMG复合材料压缩变形（断裂）试样表面结构的显微观察与比较，分析球晶/BMG复合材料的室温塑性行为，探讨其塑性改善机制。 3. 研究目的、预期结果及意义 （1） 对不同工艺条件（熔体冷却速率）下制备的复合材料的组织表征与性能测试，将系统地揭示Zr基铸态内生塑性枝晶/BMG复合材料制备条件（熔体冷却速率）、微观组织特性与室温力学行为三者之间的内在联系。这对于如何通过不同的制备条件获得具有不同强度和塑性组合的BMG复合材料也将具有普遍的指导意义。 （2） 由树枝晶聚集、球化形成的球晶，将具有比枝晶的树枝轴（臂）大得多的直径。因此，球晶必然比枝晶能够更加有效地阻
12、碍剪切带扩展、促进多剪切带形成，我们能够期望Zr基铸态内生塑性球晶/BMG新型复合材料的室温塑性得到进一步的改善。另一方面，由于这种塑性的改善并不是通过增加塑性晶体相的体积分数实现的，而且对于具有明显室温脆性的材料来说，塑性的改善将推迟其断裂行为的发生，从而实现其强度在更高水平上的发挥。因此我们也能够期望球化后的塑性晶体相在改善复合材料室温塑性的同时，在提高材料的强度方面发挥效能。 （3） 塑性晶体相的体积分数增加与改变晶体相的形态至团球状，均有利于复合材料室温塑性的改善。因此通过开展成分设计，结合相球化处理工艺的实施所开发出的含有更高球状相体积分数的新型Zr基复合材料的室温塑性必将大幅度提高
13、。 （4） 对于Zr基铸态内生塑性球晶/BMG新型复合材料室温塑性行为和塑性改善制的研究和探讨，也将对其它合金（系）的BMG复合材料的制备、织与性能研究具有普遍的指导意义。摘 要块体金属玻璃（BMG）力学性能显著的不同于传统的晶态合金。Zr基块体非晶合金是迄今为止所开发的不含贵重金属而具有大的玻璃形成能力（GFA）的合金体系，且其显微硬度为6GPa，强度接近工程陶瓷材料。本研究通过熔体水淬发制备了直径为13.5 mm的（Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5）V1合金棒状试样，通过扫描电镜(SEM)观察、X射线衍射(XRD)和差热分析（DSC）表征了材料的微观组织，检测了材料
14、的室温压缩力学性能，并观测了试样的断口形貌和表面剪切带，进而解释了合金的变形与断裂机制。结果表明，所制备的试样具有典型的无特征组织，XRD谱表现为典型非晶特性的漫散峰而无任何对应于晶体相的衍射尖峰。测得合金的玻璃转化温度Tg=625K,结晶开始温度TX1=705K,得到过冷液相区Tx (Tx = Tx1 - Tg )为80K，约化玻璃转变温度T rg (Trg= Tg/Tm )为0.67；室温压缩时，试样在约为1630MPa时屈服，弹性应变极限约为2.0 %，极限断裂强度达到1800MPa；压缩断裂试样表面只有几条剪切带，且通过一条主剪切带贯穿整个试样，导致试样的脆性断裂；断裂试样断口表面呈现为宽阔平坦的脉纹结构。 关键词：块体非晶合金，制备，组织，力学性能，剪切带ABSTRACTBulk metallic glass (BMG) was significantly different from the mechanical properties of conventional crystalline alloys. Zr-based bulk amorphous alloys developed so far doe
