摘 要

块体非晶合金种类繁多，性能特点不尽相同，热处理作为金属材料加工的重要手段会对块体非晶合金的组织结构和机械性能产生重要的影响。本课题以锆基块体非晶合金Zr₅₀Cu_10-xAl₁₀Pd_x（x=0, 5, 15）为研究对象，利用差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜附带能谱分析（SEM/EDX）和显微硬度分析系统研究退火温度和保温时间等热处理条件对样品的组织结构和机械性能的影响。结果表明，退火温度为低于玻璃化转变温度的350℃时，样品内部并未出现结晶，样品硬度相较未退火前有微小上升，但变化不大。退火温度为高于玻璃化转变温度但低于晶化温度的470℃时，样品的硬度进一步上升。退火温度为高于玻璃化转变温度的550℃和650℃时，样品的硬度则出现了大幅度的上升，并且上升的趋势随着温度的升高而逐渐放缓。并且在这些样品中发现了纳米级的晶粒,晶粒的出现使得非晶合金的硬度出现了提升。本研究为进一步理解热处理对非晶合金形成纳米晶的影响提供实验依据，促进块体非晶-纳米晶复合材料的研究、推广和应用。

关键词：锆基块体非晶合金；复合材料；退火；热处理；结构

Abstract

Bulk metallic glasses (BMGs) have a large number of systems with different components, and they have various properties accordingly. As an important means of metal material processing, heat treatment has important impacts on the structure and mechanical properties of bulk amorphous alloys. In this work, Zr-based bulk metallic glasses Zr₅₀Cu_10-xAl₁₀Pd_x（x=0, 5, 15）have been investigated. Differential Scanning Calorimetry (DSC), X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) and microhardness analysis have been used to study the effects of heat treatment conditions, including the annealing temperature and holding time, on the structure and mechanical properties of the samples. The results show that when the annealing temperature is at 350 ℃, i.e. below the glass transition temperature, crystallization does not occur in the samples, and the microhardness increases slightly compared to the as-received samples. When the annealing temperature is at 470 ℃, i.e. above the glass transition temperature and below the crystallization temperature, the microhardness increases further. When the annealing temperature is at 550℃and 650℃, i.e. above the crystallization temperature, the microhardness of the samples increases dramatically, and then levels off.  In these samples, nanocrystals have been observed by SEM/EDX, suggesting that the emergence of these nanocrystals lead to the increase of microhardness. This work provides an experimental basis for the further understanding of the effects of heat treatment on the formation of nanocrystals in amorphous alloys, and promotes the research, promotions and applications of bulk metallic glass -nanocrystalline composites.

Key Words：

Zr-Based Bulk Metallic Glass; Composites；Annealing；Heat Treatment; Structure

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锆基块体非晶合金简介 1

1.3 非晶合金的形成机理 3

1.4 块体非晶合金制备方法 3

1.4.1 铜模吸铸法 3

1.4.2 水淬法 3

1.4.3 射流成型法 4

1.4.4 自蔓延合成法 4

1.4.5 渗流铸造法 4

1.4.6 铜板冷却法 4

1.4.7 机械合金化法 4

1.4.8 熔体单辊急冷法 5

1.4.9 高能中子束辐射法 5

1.4.10 激光熔覆法 5

1.4.11 定向凝固法 5

1.5 块体非晶合金的应用 5

1.6 热处理对锆基和铜基非晶合金性能影响 6

1.7 研究目的及内容 9

第2章 实验部分 10

2.1 实验原料 10

2.2 实验仪器 10

2.3实验原理 10

2.3.1差示扫描量热法 10

2.3.2 X射线衍射 11

2.3.3扫描电镜/能谱分析 11

2.3.4显微硬度测试 12

2.4热处理样品的制备 12

2.5 试验方法 12

第3章 结果与讨论 14

3.1差示扫描量热分析 14

3.2显微硬度分析 16

3.3 X射线衍射分析 20

3.4扫描电镜与能谱分析数据分析 23

3.4.1 扫描电镜分析 23

3.4.2 能谱分析 24

第4章 结论 29

参考文献 30

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 引言

材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础，是直接推动社会发展的动力。随着人类社会的进步和科学技术的发展，传统的晶态合金材料已经不能满足人类在某些专项领域对于材料的需要。传统合金材料提供了较高的硬度和耐磨性，有些金属还会作为反应催化剂出现。但是传统金属材料在强度或者韧性上的缺失，使得传统金属材料在实际使用中受到限制。非晶合金材料则是集多种优点于一身的新型材料，由于非晶合金具有独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景，近年来受到材料科学工作者和产业界的特别关注。块体非晶合金相比传统的晶态合金，具有独特且优异的综合力学性能，如较高强度、断裂韧性等^[1]。在高性能结构材料、生物医药材料、微型精密器件、运动器材、武器装备、电子产品等方面具有广阔的应用前景。经过几十年的不懈研究，已经取得了丰硕的研究成果，块体非晶合金也成为金属材料领域最热门的研究领域之一。

一般来说，晶态合金是由熔融的液态金属合金在较慢的速度下冷却凝固，从微观结构上看则是经历形核、长大最终制得。而非晶态合金则是将熔融的液态合金以较快的速度冷却，在微观结构上合金液来不及形核形成晶相从而制得的特殊合金。与晶态合金原子排列呈现周期性的规律不同，非晶合金的原子排列并无周期性，而是呈无序排列。从整体上看，非晶合金的原子排列特点可以概括为“长程有序，短程无序”。在力学性能方面，与传统的晶态合金相比，非晶合金具有更高的抗拉强度、硬度和更低的杨氏模量，良好的玻璃形成能力和其他优异的力学性能。在各非晶合金体系中，锆基非晶合金的特点鲜明，制备难度较低，成本也更为低廉，这也为锆基块晶合金系列材料成为新型的结构材料提供了有利条件。