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摘 要

锆基体系非晶态合金具有较大的玻璃形成能力，良好的韧性，高的抗腐蚀性以及优越的生物相容性，因此具有很大的潜在价值，大部分锆基非晶态合金含有镍元素，镍对人体有害，且价格较高，因此，Ni元素的存在严重限制了该体系非晶态合金的应用，用对人体无危害的且较便宜的元素代替镍元素研究出具有大的玻璃形成能力及优异力学性能的锆基体系非晶态合金依然具有重要的意义。本文以Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₅Fe_x(x=0,2,4,6,8,10)合金为研究对象，比较了Ni、Fe元素含量变化对Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₅Fe_x体系合金的玻璃形成能力和力学性能的影响。

本实验采用感应熔炼铜模喷铸的方法成功制备出了直径为2mm的Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₅Fe_x(x=0,2,4,6,8,10)合金体系，采用XRD分析了合金试样的相结构，用显微硬度仪测量其硬度，并用万能试验机对试样进行了室温压缩试验，分析了其力学性能。实验结果表明该体系合金对Ni、Fe元素含量的变化较为敏感。当x=0,2,6时，其内部结构基本为非晶相。当x=4,8,10时为非晶-晶体复合材料，当x=0时，Zr₆₅Al₁₀Ni₁₀Cu₁₅非晶态合金不仅具有良好的玻璃形成能力,同时还具有良好的力学性能。但当用Fe元素替换Ni元素时，其力学性能反而下降了。

关键词：铜模喷铸法 玻璃形成能力 非晶态合金 生物相容性

Glass forming ability and mechanical properties of bulk metallic glasses

ABSTRACT

Zr-based bulk metallic glasses (BMGs) exhibit the high glass forming ability(GFA), high strengh, high hardness, superior corrosion resistance and good biocompatibility. Since that, Zr-based bulk metallic glasses show a promising potential value. However, most Zr-based BMGs contain Ni as an important constituent element. Since Ni-bearing alloys are harmful to people, the pressure of Ni has seriously limited the biomedical applications of Zr-based BMGs. Therefore, the development of Ni-free Zr-based BMGs with high glass forming ability (GFA) and good mechanical properties is meaningful. Taking Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₅Fe_x (x = 0,2,4,6,8,10) alloy as the research object, and compare the impact caused by the change of Ni, Fe elements contents on Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₀Fe_x glass forming ability and mechanical properties .

We prepared Zr₆₅Al₁₀Ni_10-xCu₁₅Fe_x (x = 0,2,4,6,8,10) alloy system successfully by induction melting and copper mold casting under the protection of inert gases,the diameter of 2 mm. The crystal structure of the samples was investigated by XRD, the hardness was tested by the digital micro-hardness and the compression tests were carried out at room temperature in a universal testing machine. The experimental results showed that the alloy system is more sensitive to the change of content of Ni, Fe elements. When x = 0,2,6, it has formed a completely amorphous structure.When x = 4,8,10, it has formed a amorphous-crystal composite materials. When x = 0, Zr₆₅Al₁₀Ni₁₀Cu₁₅ amorphous alloy is not only a good glass forming ability but also have good mechanical properties. But when replace Ni element with Fe element , its mechanical performance worse instead.

Key Words: Copper spray casting; Glass forming ability; Bulk metallic glasses; Biocompatibility

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 非晶态合金的制备方法 2

1.2.1感应加热铜模喷铸法 2

1.2.2感应加热铜模吸铸法 2

1.2.3水淬法 3

1.2.4真空甩带法 4

1.3 非晶态合金玻璃形成能力的判据 5

1.3.1 最大尺寸 5

1.3.2 过冷液相区宽度ΔT_x 5

1.3.3约化玻璃转变温度T_rg 6

1.3.4 γ参数 7

1.4 非晶态合金的性能及应用 7

1.4.1力学性能及其应用 7

1.4.2 磁学性能及应用 9

1.4.3化学性能及应用 9

第二章 实验方法 10

2.1 实验仪器及主要原料 10

2.1.1 主要仪器设备 10

2.1.2 主要材料 10

2.2 非晶态合金棒的制备方法 11

2.2.1 原材料的准备 11

2.2.2 合金成分的设计 11

2.2.3 母合金的制备 12

2.2.4 非晶棒材的制备 12

2.3 试样的分析检测 13

2.3.1 成分分析 13

2.3.2 X射线衍射 14

2.3.3 扫描电子显微镜 14

2.3.4 热分析 15

2.3.5 显微硬度 15

2.3.6 压缩实验 16

第三章 实验结果及分析 17

3.1 试样的X射线衍射（XRD） 17

3.2 试样的显微硬度分析 18

3.3 试样的压缩性能分析 20

3.4 压缩断裂的断口形貌 22

第四章 结论 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪论

1.1 引言

固态金属材料一般为晶体，晶体的原子在空间按一定几何形状规则排列。非晶态合金是指在极快的冷速下(10⁶℃/s),由液体状态的合金直接凝固而形成，即原子的排列具有长程无序、短程有序的新型金属材料，因而其也被称为玻璃态金属或金属玻璃（Metallic glasses）。同传统金属材料一样，金属玻璃通常由几种典型的元素构成，如铝、锆、铜、镍和钛等元素^[1]。作为一种新型金属材料，非晶态合金由于其内部特殊的原子结构，因而具有高的强度、高的弹性极限、高的耐蚀性和优异的磁学性能等一系列不同于传统金属材料的特殊性能。目前，非晶态合金因其独特的结构、优越的性能、广阔的应用前景等，引起了物理学界以及材料科学界的广泛关注和深入研究。

世界上关于非晶态合金研究的最早报道是1934年德国人Kramer^[2]采用蒸发沉积法制备出的非晶态合金。1947年，Brenner^[3]用电解和化学沉积法制备出Ni-P和Co-P非晶态薄膜。然而，真正的非晶态合金是由Duwez^[4] 在1960年通过液态金属连续冷却法制备出的Au-Si 非晶态合金，其冷却速率可达10⁶℃ /s。经过50多年的研究, 目前在非晶态合金的形成、结构、晶化、制备、性能及应用等方面已经取得了很大进展, 成功研制出Fe基、Ni基、Zr基、Co基、Ti基、Mg基、Al基、Ln基、Pd基、Cu基、Pt基、Ca基等多种系列的非晶态合金^[5]。

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