Mg-Cu(Ag)-Gd块体金属玻璃的形成能力与力学性能
文献类型：学位论文
| 作者 | 郑强 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-01-09 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 隋曼龄 研究员 |
| 关键词 | 非晶态合金'金属玻璃'镁合金'凝固'力学性能 |
| 其他题名 | Formability and Mechanical Properties of Mg-Cu(Ag)-Gd Bulk Metallic Glasses |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | 相对于多晶态镁合金，镁基金属玻璃具有高强度、高比强度、高弹性极限等优异性能。为了满足工程应用的需求，发展具有强玻璃形成能力、可获得大尺寸 (厘米尺度)块体材料、并兼有良好塑韧性的新型玻璃态镁合金具有重要意义。本工作以Mg-TM-RE (TM=Cu, Ag, RE = Y, Nd, Gd)合金为基础，研究了一系列合金的玻璃形成能力、高玻璃形成能力的原因和力学行为。采用合金熔体铜模浇铸，形成不同直径圆棒样品的方法，用于评价合金的玻璃形成能力。利用X-射线、扫描电镜、透射电镜、热分析等技术分析表征铸态样品的结构与玻璃态性质，单向压缩实验评价代表性合金的力学行为。主要结论如下： 1. Mg-Cu-Gd三元合金的玻璃形成能力 (Glass forming ability, GFA)强烈地依赖于合金的成分变化。在铜模浇铸的条件下，Mg-Cu-Gd三元系形成块体金属玻璃 (Bulk metallic glass, BMG) 临界直径 (Critical diameter, Dc)大于等于8 mm的合金主要位于11 at. %Gd的成分线上。GFA最强的合金定位于Mg61Cu28Gd11，Dc为12 mm，是目前三元Mg合金体系中Dc最大的合金。三元合金的强GFA为发展GFA更高的高阶合金奠定了基础。另外，Mg-Cu-Gd三元BMG的压缩断裂强度大约为1070 MPa。 2. 在Mg61Cu28Gd11三元合金基础上，用Ag元素部分替代Cu，采用“3D法”对Mg-Cu-Ag-Gd四元系的GFA进行系统研究。该四元系在很宽的成分范围都可以形成Dc至少为20 mm的BMG。有7个合金的Dc可达到25 mm，其中GFA最强的合金定位于Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11，铜模浇铸条件下的Dc为27 mm，为迄今为止Mg基BMG中Dc最大的合金。 3. 根据Angell关于液体“脆度”的概念，对Mg61Cu28Gd11三元和Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11四元合金的液体脆度进行了研究。通过测量玻璃态的驰豫时间，然后通过VFT (Vogel-Fulcher-Tamman) 公式拟合可以得到合金的脆度参数 D*值。Mg61Cu28Gd11三元合金和Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11四元合金的脆度参数D*值分别为22.4和25。Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11四元合金的D*值高于以前所有报道的BMG的脆度值，表明合金超常的GFA是与其强液体性质相关联的。 4. 通过研究合金的“近平衡”凝固组织，建立了所形成BMG合金在Mg-Cu-Gd体系中的部分准平衡相图。这些合金分布于三个成分共轭三角形中。GFA最佳的合金Mg61Cu28Gd11位于Mg2Cu、Mg3CuGd (τ4)和Cu60Mg24Gd16构成的区域内。在非平衡凝固的过程中，Mg61Cu28Gd11形成玻璃的过程与伪二元共晶反应L→Mg2Cu+Mg2CuGd (τ3) 相联系，竞争相为Mg2Cu。在近平衡相图中，Mg61Cu28Gd11成分与伪二元共晶反应L→Mg2Cu+Mg3CuGd (τ4) 相联系。相应地，Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11四元合金在非平衡凝固的过程中，Ag可大量固溶于Mg2Cu相，从而对于竞争晶体相Mg2Cu起到失稳的作用。同时，Ag元素部分替代Cu还可以降低Mg61Cu28Gd11的固相线和液相线温度，起到稳定过冷液体的作用。 5. 在Mg-Cu-Ag-Gd四元体系中，通过调整AgMg含量，Mg57.2Cu17.1Ag17.1Gd8.6经铜模浇铸，可以得到直径2~7 mm的AgMg树枝晶相作为初生相的镁基金属玻璃内生复合材料，其中枝晶相的体积百分数大约为30 %。Mg59.5Cu22.9Ag6.6Gd11单相BMG的压缩断裂强度为815~990 MPa。与单相BMG相比，Mg57.2Cu17.1Ag17.1Gd8.6复合材料的力学性能并没有得到明显改善，压缩断裂强度为789~1035 MPa，并且二者都没有明显的宏观塑性变形并且断裂强度数据分散，说明复合材料的断裂仍然是由铸态材料中的缺陷所控制。 6. 在Mg58.5Cu30.5Y11三元合金基础上，采用“3D法”，用Nd元素部分替代Y，对Mg-Cu-Y-Nd四元合金GFA进行了系统研究。表明，该四元系中GFA最强的合金为Mg57Cu31Y6.6Nd5.4，Dc为14 mm。相对于Mg-Cu-Y三元合金，Nd元素部分替代Y提高了GFA，说明“3D法”不仅适用于高溶质浓度元素的替代，也适用于低溶质组元的替代。Nd元素部分替代Y对合金的泊松比没有明显的影响。Mg57Cu31Y6.6Nd5.4 四元BMG的压缩断裂强度大约为 1180 MPa, 塑性应变为 1.2 %。这是迄今为止断裂强度最高的Mg基BMG。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 173 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17061]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郑强. Mg-Cu(Ag)-Gd块体金属玻璃的形成能力与力学性能[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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