Mg-(Cu,Ni)-(Gd,Nd)金屬玻璃的形成能力、力學和腐蝕行為.pdf

1、鎂合金作為輕質結構材料有著廣闊應用前景。相對于普通鑄造鎂合金,由非平衡凝固獲得的Mg基塊體金屬玻璃(Bulk Metallic Glass,BMG)有著更高強度和比強度,展現了Mg基BMG的研究價值。BMG的形成能力、力學性能和耐蝕性是其應用于結構材料所需重點關注的三個方面。本論文在Mg基BMG形成能力最佳的三元Mg-Cu-Gd合金系基礎上,通過添加過渡元素Ni和稀土元素Nd,開發(fā)了玻璃形成能力尚可、塑性和強度較高、在NaCl溶液中耐蝕

2、性更好的Mg-Cu-Ni-Gd系和Mg-Ni-Gd-Nd系BMG,并制備出Mg-Ni-Gd-Nd內生塊體非晶復合材料(Bulk Metallic Glass Composite,BMGC)使金屬玻璃的塑性和強度得到進一步提高。采用合金熔體銅模澆鑄形成不同直徑圓棒樣品的方法,評價合金的玻璃形成能力和制備復合材料。利用X-射線、掃描電鏡、透射電鏡、熱分析等技術表征鑄態(tài)樣品的結構和性質:單向壓縮試驗研究代表性合金的力學行為；析氫腐蝕、失重分析

3、、電化學測試等方法研究代表性合金在1wt.％NaCl溶液的腐蝕行為。主要研究結果如下:
　　 采用“3D”金屬玻璃成分設計方法全面研究了Ni元素對Mg-Cu-Gd系合金的玻璃形成能力的影響,表明隨著Ni含量增加,Mg-Cu-Ni-Gd玻璃形成能力逐漸降低。然而,Ni元素能有效提高Mg-Cu-Gd系金屬玻璃的斷裂強度和塑性。含少量Ni元素的Mg-Cu-Ni-Gd系金屬玻璃具有較好的綜合性能,其銅模澆鑄形成全玻璃結構的最大圓棒直徑(

4、Critiacl Diameter,Dc)超過8 mm,斷裂強度高于900 MPa且具有塑性。進一步,在塑性較好的Mg-Ni-Gd系金屬玻璃基礎上,通過添加Nd元素,開發(fā)了塑性更好的Mg-Ni-Gd-Nd系金屬玻璃,該系金屬玻璃的塑性超過1％,并且Dc值可達5 mm,斷裂強度約為870 MPa,比強度高達2.75×105Nm/kg。
　　 研究Mg-Cu-Ni-Gd和Mg-Ni-Gd-Nd系BMG的力學行為發(fā)現,在壓縮條件下,M

5、g基金屬玻璃可在三個不同的變形階段發(fā)生斷裂。第一個是彈性變形階段,在此變形階段金屬玻璃以解理方式斷裂而無塑性;第二個變形階段斷裂為解理和剪切混合方式斷裂,金屬玻璃有著一定的剪切塑性變形；第三個變形階段為穩(wěn)定剪切鋸齒塑性流變階段,在此變形階段金屬玻璃以剪切方式斷裂,有著明顯的塑性變形。鎂基金屬玻璃易在變形過程中產生解理裂紋,這是鎂基金屬玻璃變形過程中重要特征。降低鎂基金屬玻璃在變形過程中解理裂紋形核和擴展的概率有利于其斷裂模式由解理斷裂向

6、剪切斷裂轉變,從而達到第三變形階段,塑性也相應得到提高。
　　 Mg基金屬玻璃強度和塑性的尺寸效應與斷裂方式相關。以解理方式斷裂的BMG,強度隨樣品直徑變小而增加,塑性為零,如Mg65Cu25Gd10 BMG；以剪切方式斷裂的BMG,強度保持相對恒定值,塑性隨樣品直徑變小而增加,如Mg75Ni15Gd5Nd5 BMG。提高Mg基金屬玻璃塑性有兩個層次:一個層次是避免金屬玻璃在第一或第二變形階段因解理裂紋形核和擴展發(fā)生斷裂,使其達

7、到第三變形階段,也就說使金屬玻璃達到純剪切塑性變形階段；另一個層次就是在達到第三變形階段之后,使金屬玻璃進行穩(wěn)定的剪切鋸齒塑性流變。
　　 在含單一稀土元素Mg75Ni15Gd10合金基礎上,適當增加Mg含量并引入另一種稀土元素Nd,獲得了具有α-Mg相加非晶相兩相結構的非晶復合材料Mg80Ni12Gd4Nd4,其屈服強度超過800 MPa,最高斷裂強度超過900 MPa,斷裂應變達到4.3％。Mg80Ni12Gd4Nd4非晶復

8、合材料由～20％竹葉狀α-Mg相和～80％非晶基體組成；均勻分布于非晶基體中的竹葉狀相具有畸變6H類型長周期結構,含有Mg,Ni,Gd和Nd元素,這是首次在Mg-Ni-Gd-Nd系合金中發(fā)現長周期結構相。竹葉狀α-Mg相可限制解理裂紋形核和擴展,誘發(fā)剪切帶增殖并有效阻止剪切帶失穩(wěn)擴展,且可自身發(fā)生塑性變形,從而提高非晶復合材料的塑性；非晶相能有效增加復合材料的屈服強度,并且與竹葉狀相交互作用,使復合材料變形中產生加工硬化,斷裂強度增加。

9、
　　 在1wt.％NaCl溶液中,Cu和Ni共存的Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃的耐蝕性好于含單一過渡族元素Cu或Ni的Mg-Cu-Gd或Mg-Ni-Gd金屬玻璃:Mg-Ni-Gd-Nd金屬玻璃的耐蝕性好于Mg-Cu-Gd金屬玻璃。Mg-(Cu,Ni)-Gd金屬玻璃在NaCl溶液中表面形成的腐蝕產物膜的主要成分為Mg(OH)2,該Mg(OH)2表面膜層的致密度受圓片狀Mg(OH)2的生長方向和尺寸大小的影響,而Mg(OH)2的

10、生長方向和尺寸大小又受Mg-(Cu,Ni)-Gd金屬玻璃所含元素種類和含量的影響。相對于Mg-Cu-Gd和Mg-Ni-Gd金屬玻璃,Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃更好的耐蝕性本質上可歸因于Mg-Cu-Ni-Gd金屬玻璃表面所形成的更穩(wěn)定且更致密的Mg(OH)2腐蝕產物膜對基體有效地保護。
　　 本研究開發(fā)的綜合性能良好的Mg-Cu-Ni-Gd和Mg-Ni-Gd-Nd系金屬玻璃以及Mg-Ni-Gd-Nd非晶復合材料,具有作為高強度