微合金化對(duì)銅基塊狀非晶制備與力學(xué)性能影響的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)不斷演進(jìn)的歷程中，新型材料的探索與開(kāi)發(fā)始終是推動(dòng)各領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵力量。微合金化銅基塊狀非晶作為材料家族中的新興成員，憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，已然成為材料研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。非晶合金，又稱(chēng)金屬玻璃，其原子排列呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序的特征，與傳統(tǒng)晶態(tài)合金有著本質(zhì)的區(qū)別。這種特殊的原子結(jié)構(gòu)賦予了非晶合金一系列優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐腐蝕性、軟磁性以及獨(dú)特的電學(xué)和熱學(xué)性能等。然而，早期制備的非晶合金通常以薄帶、細(xì)絲等小尺寸形態(tài)存在，極大地限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。直到塊體非晶合金的出現(xiàn)，才為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。銅基塊狀非晶合金作為塊體非晶合金的重要分支，具有較高的玻璃形成能力和相對(duì)較低的成本，在與La、Zr、Pd基等貴金屬基合金的對(duì)比中優(yōu)勢(shì)顯著。在強(qiáng)度方面，其表現(xiàn)卓越，同時(shí)還呈現(xiàn)出一定的壓縮塑性，如Cu45Zr46Al7Ti塊狀非晶的宏觀壓縮塑性高達(dá)32.5%。這些優(yōu)異的綜合性能，使得銅基塊狀非晶合金在工業(yè)生產(chǎn)、體育器材制造、軍工領(lǐng)域以及宇航電子等眾多行業(yè)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)生產(chǎn)中，可用于制造高精度的模具，利用其高強(qiáng)度和耐磨性，提高模具的使用壽命和產(chǎn)品精度；體育器材方面，可用于制造高端的高爾夫球桿、自行車(chē)車(chē)架等，減輕器材重量的同時(shí)提升其性能；軍工領(lǐng)域，在制造武器裝備的關(guān)鍵零部件時(shí)，能滿足對(duì)材料高強(qiáng)度和耐腐蝕性的嚴(yán)苛要求；宇航電子領(lǐng)域，如集成電路引線框架的制造，其良好的導(dǎo)電性和尺寸穩(wěn)定性可確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。盡管銅基塊狀非晶合金已展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。其玻璃形成能力和力學(xué)性能有待進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同工程場(chǎng)景對(duì)材料性能的多樣化需求。微合金化技術(shù)作為一種有效的手段，通過(guò)在合金中添加微量的合金元素，能夠顯著改變合金的原子結(jié)構(gòu)和性能，為提升銅基塊狀非晶合金的性能提供了新的途徑。從理論研究的角度來(lái)看，深入探究微合金化對(duì)銅基塊狀非晶合金制備過(guò)程及力學(xué)性能的影響機(jī)制，有助于深化對(duì)非晶合金形成規(guī)律和性能調(diào)控原理的理解。非晶合金的形成涉及到復(fù)雜的原子動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，微合金化元素的加入如何影響這些過(guò)程，進(jìn)而改變合金的玻璃形成能力和力學(xué)性能，是材料科學(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)這一問(wèn)題的研究，能夠豐富和完善非晶合金的理論體系，為新型非晶合金材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用層面，優(yōu)化后的微合金化銅基塊狀非晶合金有望在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)性能的突破和應(yīng)用的拓展。在航空航天領(lǐng)域，隨著對(duì)飛行器性能要求的不斷提高，需要材料具備更高的強(qiáng)度重量比和更好的耐疲勞性能。微合金化銅基塊狀非晶合金若能滿足這些要求，將可用于制造飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，減輕飛行器重量，提高燃油效率和飛行性能；在電子信息領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備向小型化、高性能化方向發(fā)展，對(duì)材料的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性提出了更高要求。微合金化銅基塊狀非晶合金憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，有望在電子封裝、散熱材料等方面得到應(yīng)用，推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。綜上所述，對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的制備及力學(xué)性能的研究，不僅在理論上有助于揭示非晶合金的形成和性能調(diào)控機(jī)制，豐富材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論；在實(shí)踐中也能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)高性能的銅基塊狀非晶合金材料提供技術(shù)支持，滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)新型結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2研究現(xiàn)狀與不足自銅基塊狀非晶合金問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞其制備工藝、微合金化對(duì)性能的影響以及力學(xué)性能的研究開(kāi)展了大量工作，取得了一系列顯著成果。在制備工藝方面，多種方法被廣泛應(yīng)用于銅基塊狀非晶合金的制備。水淬法通過(guò)將高溫合金液快速淬入水中，利用水的高冷卻速率實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)的形成，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但難以制備大尺寸塊體，且所得非晶合金的質(zhì)量和性能均勻性較差。射流成型法借助高速氣流將合金液噴射到特定模具中，冷卻速率較高，可制備出形狀較為復(fù)雜的非晶制品，但設(shè)備昂貴，生產(chǎn)效率較低。金屬模鑄造法是將合金液澆鑄到金屬模具中，依靠模具的快速散熱使合金凝固形成非晶，能夠制備出尺寸較大、形狀規(guī)則的塊體非晶，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，但對(duì)模具的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)要求較高。復(fù)合爆炸焊接法利用爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫高壓，使不同金屬層在界面處實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，可制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的非晶復(fù)合材料，然而該方法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程存在一定危險(xiǎn)性，難以精確控制合金的成分和性能。機(jī)械合金化法通過(guò)高能球磨使金屬粉末在反復(fù)碰撞、冷焊和破碎過(guò)程中逐漸形成非晶態(tài)，可制備出成分均勻、顆粒細(xì)小的非晶粉末，但制備周期長(zhǎng)，難以直接制備大塊體非晶合金。粉末固結(jié)成形法先將非晶粉末通過(guò)壓制、燒結(jié)等工藝進(jìn)行固結(jié)，再加工成所需形狀的塊體非晶，能夠制備出接近最終形狀的制品，有利于后續(xù)加工，但粉末的制備和固結(jié)過(guò)程對(duì)設(shè)備和工藝要求較高，成本也相對(duì)較高。這些制備方法各有優(yōu)劣，研究人員不斷探索優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高非晶合金的質(zhì)量和性能。微合金化對(duì)銅基塊狀非晶合金性能的影響是研究的重點(diǎn)之一。添加不同的合金元素能夠顯著改變合金的玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。如在Cu-Zr-Al系合金中添加稀土元素Y、Ce、Sm、La等，稀土元素與母相合金各組元具有大的原子尺寸比、負(fù)的混合焓等，有利于提高合金的玻璃形成能力和熱穩(wěn)定性。當(dāng)Y、Sm、La含量為2at.%時(shí)，合金試樣具有較大的玻璃形成能力和熱穩(wěn)定性；但當(dāng)稀土元素含量超過(guò)2at.%時(shí)，對(duì)非晶合金的玻璃形成能力和熱穩(wěn)定性不再有積極作用，微量Ce的添加甚至?xí)档秃辖鸬臒岱€(wěn)定性。在Cu-Zr基非晶合金中添加Ag元素，能夠提高合金的硬度和抗壓強(qiáng)度，如Cu46Zr42Al8Ag4非晶合金的抗壓強(qiáng)度達(dá)到2038MPa，最大應(yīng)變量為4.25%，抗彎強(qiáng)度也有所增加。而添加稀土元素Gd、Nd后，非晶合金的硬度和抗壓強(qiáng)度會(huì)有不同程度的降低。關(guān)于銅基塊狀非晶合金力學(xué)性能的研究也取得了豐富成果。研究表明，銅基塊狀非晶合金具有較高的強(qiáng)度和硬度，如Cu45Zr46Al7Ti塊狀非晶的宏觀壓縮塑性高達(dá)32.5%，展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能潛力。對(duì)鑄態(tài)啞鈴形Cu50Zr42Al8非晶合金的拉伸性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)400℃×1h等溫退火后，試樣的拉伸強(qiáng)度及塑性均有所提高，斷裂強(qiáng)度及最大應(yīng)變值分別為755MPa和0.80%；由單輥甩帶工藝制備的Cu50Zr42Al8非晶薄帶在拉伸過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形，拉伸強(qiáng)度為549.7MPa。在壓縮性能方面，其斷裂形式通常為典型的脆性斷裂，斷面呈脈絡(luò)狀花樣。盡管目前在微合金化銅基塊狀非晶的研究中已取得諸多進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題和空白有待進(jìn)一步探索。在制備工藝上，現(xiàn)有方法難以同時(shí)滿足制備大尺寸、高性能且成本低廉的銅基塊狀非晶合金的需求。對(duì)于一些復(fù)雜形狀或特殊結(jié)構(gòu)的非晶合金制備，工藝難度較大，精度和質(zhì)量控制也面臨挑戰(zhàn)。在微合金化研究方面，雖然已發(fā)現(xiàn)多種元素對(duì)合金性能有影響，但對(duì)微合金化元素在原子尺度上的作用機(jī)制，如元素間的相互作用、原子擴(kuò)散行為等，尚未完全明晰。不同微合金化元素之間的協(xié)同效應(yīng)以及如何通過(guò)合理的元素組合設(shè)計(jì)出具有特定性能的合金體系，還需要深入研究。在力學(xué)性能研究領(lǐng)域，對(duì)銅基塊狀非晶合金在復(fù)雜加載條件下，如多軸應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的力學(xué)行為研究相對(duì)較少。其疲勞性能、斷裂韌性等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試和分析還不夠完善，這限制了其在對(duì)力學(xué)性能要求苛刻的工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外，非晶合金的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系尚未建立，難以實(shí)現(xiàn)通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控來(lái)精確優(yōu)化力學(xué)性能。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究聚焦于微合金化銅基塊狀非晶，旨在全面且深入地探究微合金化對(duì)銅基塊狀非晶制備過(guò)程及力學(xué)性能的影響機(jī)制，為開(kāi)發(fā)高性能的銅基塊狀非晶合金材料提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：合金成分設(shè)計(jì)與制備工藝研究：基于前期研究中展現(xiàn)出較強(qiáng)非晶形成能力的合金體系，如Cu-Zr-Al系合金，通過(guò)添加稀土元素（如Y、Ce、Sm、La等）、過(guò)渡金屬元素（如Ag、Gd、Nd等）以及其他潛在的微合金化元素，精心設(shè)計(jì)一系列多元合金成分。深入研究不同微合金化元素種類(lèi)和含量對(duì)合金非晶形成能力的影響，探尋最佳的合金成分組合。系統(tǒng)對(duì)比水淬法、射流成型法、金屬模鑄造、復(fù)合爆炸焊接法、機(jī)械合金化法以及粉末固結(jié)成形法等多種制備工藝在制備微合金化銅基塊狀非晶時(shí)的優(yōu)劣。以金屬模鑄造法為重點(diǎn)研究對(duì)象，優(yōu)化其工藝參數(shù)，包括熔煉溫度、澆鑄速度、模具溫度、冷卻速率等，探究這些參數(shù)對(duì)合金非晶形成質(zhì)量和性能的影響規(guī)律，從而確定制備微合金化銅基塊狀非晶的最佳工藝方案。微合金化對(duì)合金熱穩(wěn)定性的影響：運(yùn)用差示掃描量熱分析儀（DSC）、差熱分析法（DTA）等熱分析技術(shù)，精確測(cè)量不同微合金化銅基塊狀非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、晶化溫度（Tx）、液相溫度（Tl）以及過(guò)冷液相區(qū)寬度（ΔTx=Tx-Tg）等熱穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，深入探討微合金化元素對(duì)合金熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制。研究微合金化元素如何改變合金原子間的相互作用、原子擴(kuò)散行為以及晶體形核和長(zhǎng)大過(guò)程，進(jìn)而揭示微合金化提高合金熱穩(wěn)定性的內(nèi)在原因。利用X射線衍射儀（XRD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）等微觀結(jié)構(gòu)分析手段，研究合金在加熱過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，包括非晶相的晶化過(guò)程、晶相的種類(lèi)和形態(tài)變化等，為理解熱穩(wěn)定性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供直接證據(jù)。微合金化對(duì)合金力學(xué)性能的影響：采用材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)制備的微合金化銅基塊狀非晶合金進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測(cè)試，系統(tǒng)分析微合金化元素對(duì)合金強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、電子探針?lè)治鰞x等對(duì)合金的斷口形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析，深入探究微合金化對(duì)合金斷裂行為和強(qiáng)化機(jī)制的影響。研究微合金化元素如何改變合金中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、裂紋萌生和擴(kuò)展方式，以及第二相粒子、晶界等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的作用機(jī)制，建立合金微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)對(duì)比不同微合金化元素和含量的合金力學(xué)性能，篩選出對(duì)提高合金力學(xué)性能最有效的微合金化元素和成分組合。建立性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型：綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方法，深入探究微合金化銅基塊狀非晶合金的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。結(jié)合XRD、TEM、SEM等微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，以及拉伸、壓縮、硬度等力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和材料科學(xué)理論，建立能夠描述合金力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（如原子排列方式、晶相體積分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸、位錯(cuò)密度等）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)模型的驗(yàn)證和優(yōu)化，使其能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同成分和制備工藝下合金的力學(xué)性能，為新型銅基塊狀非晶合金材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供有力的理論工具。利用該模型，進(jìn)一步探討通過(guò)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化合金力學(xué)性能的有效途徑，為實(shí)現(xiàn)材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控提供理論指導(dǎo)。二、微合金化銅基塊狀非晶概述2.1基本概念微合金化，是一種在傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)手段。它通過(guò)向合金中添加一種或多種特定的合金元素，如鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）、稀土元素（如Y、Ce、Sm、La等）以及其他過(guò)渡金屬元素（如Ag、Gd、Nd等），且這些元素的含量通常較低，一般低于1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以此來(lái)顯著改善合金的性能。這些微合金化元素在合金中能與碳、氮等結(jié)合形成碳化物、氮化物和碳氮化物。在加熱過(guò)程中，這些化合物會(huì)在高溫下溶解，而在低溫時(shí)又會(huì)析出。它們的作用主要體現(xiàn)在多個(gè)方面，在加熱階段，能夠阻礙原始奧氏體晶粒的長(zhǎng)大；在軋制過(guò)程中，可抑制再結(jié)晶以及再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大；在低溫狀態(tài)下，能起到強(qiáng)析出強(qiáng)化的作用。通過(guò)合金元素的固溶及其固態(tài)反應(yīng)，微合金化能夠影響合金的微觀結(jié)構(gòu)乃至宏觀結(jié)構(gòu)、組織和組分，從而使合金獲得所期望的性能，如提高強(qiáng)度、韌性、改善加工性能等。銅基塊狀非晶合金，是指以銅元素為主要組成成分，原子排列呈現(xiàn)長(zhǎng)程無(wú)序狀態(tài)的塊狀金屬材料。與傳統(tǒng)晶態(tài)合金不同，銅基塊狀非晶合金中的原子不具有周期性排列的晶格結(jié)構(gòu)，而是類(lèi)似于液體在快速冷卻時(shí)被“凍結(jié)”的狀態(tài)，原子間的排列僅在短程范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定的有序性。這種獨(dú)特的原子排列方式賦予了銅基塊狀非晶合金許多優(yōu)異的性能。在力學(xué)性能方面，由于不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，其結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)格限制在幾個(gè)原子的尺寸范圍內(nèi)，不會(huì)像晶體材料那樣在外力作用下優(yōu)先于特定的晶面進(jìn)行滑移，從而使銅基塊狀非晶合金具有很高的強(qiáng)度和硬度，有望發(fā)展成為優(yōu)于鋯基的具有優(yōu)良力學(xué)性能的新型材料，如Cu45Zr46Al7Ti塊狀非晶的宏觀壓縮塑性高達(dá)32.5%。在物理性能上，它具備良好的耐腐蝕性，在凝固過(guò)程中，原子來(lái)不及擴(kuò)散，使原子排列具有長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序以及不存在平移對(duì)稱(chēng)性等特點(diǎn)，各處的化學(xué)成分很均勻，且不存在晶界、位錯(cuò)等缺陷，因而可以避免晶界腐蝕和點(diǎn)腐蝕的發(fā)生；同時(shí)還具有獨(dú)特的電學(xué)性能，與晶態(tài)合金相比，其結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)，短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序，展現(xiàn)出特殊的電學(xué)特性。在熱學(xué)性能方面，銅基塊狀非晶合金具有較高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和過(guò)冷液相區(qū)寬度（ΔTx），這使得它在一定溫度范圍內(nèi)能夠保持非晶態(tài)的穩(wěn)定性，并且在過(guò)冷液相區(qū)具有較好的熱加工性能。2.2發(fā)展歷程微合金化銅基塊狀非晶的發(fā)展歷程是材料科學(xué)領(lǐng)域不斷探索和創(chuàng)新的生動(dòng)體現(xiàn)，其發(fā)展主要?dú)v經(jīng)了三個(gè)關(guān)鍵階段。20世紀(jì)中葉至末期為探索起步階段。在非晶合金的早期研究中，科學(xué)家們主要致力于制備各種類(lèi)型的非晶合金，銅基非晶合金也在這一時(shí)期進(jìn)入了人們的研究視野。1960年，Klement等人首次采用熔體急冷法制備出Au-Si非晶合金，開(kāi)啟了非晶合金研究的新紀(jì)元。此后，科研人員嘗試將不同的合金元素與銅進(jìn)行組合，試圖制備出銅基非晶合金。在這一階段，雖然面臨諸多技術(shù)難題，如冷卻速率難以精確控制、合金成分均勻性難以保證等，但科研人員仍成功制備出一些銅基非晶合金的小尺寸樣品，如薄帶、細(xì)絲等，這些早期的研究成果為后續(xù)銅基塊狀非晶合金的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)，由于當(dāng)時(shí)制備技術(shù)的限制，所制備的銅基非晶合金尺寸較小，難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求，且對(duì)微合金化的研究尚處于初步探索階段，對(duì)微合金化元素在銅基非晶合金中的作用機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初為技術(shù)突破與理論探索階段。隨著材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，如銅模鑄造法、吸鑄法等先進(jìn)制備技術(shù)的出現(xiàn)，為制備大尺寸的銅基塊狀非晶合金提供了可能。日本的Inoue、德國(guó)的Schultz和美國(guó)的WilliamJohnson等人相繼開(kāi)發(fā)出了銅基塊狀金屬玻璃，使得銅基塊狀非晶合金的研究取得了重大突破。這一時(shí)期，科研人員開(kāi)始關(guān)注微合金化對(duì)銅基塊狀非晶合金性能的影響，通過(guò)添加微量的合金元素，如Zr、Ti、Al等，來(lái)提高合金的玻璃形成能力和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，在Cu-Zr二元系基礎(chǔ)上添加Ti和Al得到的Cu-Zr-Ti體系和Cu-Zr-Al體系合金，具有較高的玻璃形成能力和相對(duì)低的成本，如Cu45Zr46Al7Ti塊狀非晶的宏觀壓縮塑性高達(dá)32.5%。在理論研究方面，科研人員開(kāi)始深入探究非晶合金的形成機(jī)制和性能調(diào)控原理，為微合金化技術(shù)的應(yīng)用提供了理論支持。但在這一階段，微合金化元素的選擇和添加量的確定仍主要依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，對(duì)微合金化元素之間的協(xié)同作用研究較少。21世紀(jì)初至今為應(yīng)用拓展與深入研究階段。隨著對(duì)微合金化銅基塊狀非晶合金研究的不斷深入，其在工業(yè)、體育器材、軍工、宇航電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)領(lǐng)域，可用于制造高精度模具、機(jī)械零部件等，利用其高強(qiáng)度和耐磨性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命；體育器材方面，用于制造高端的高爾夫球桿、自行車(chē)車(chē)架等，提升器材的性能和競(jìng)技水平；軍工領(lǐng)域，可滿足武器裝備對(duì)材料高強(qiáng)度、耐腐蝕性和輕量化的要求；宇航電子領(lǐng)域，在集成電路引線框架等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。為了進(jìn)一步優(yōu)化合金性能，科研人員不斷拓展微合金化元素的種類(lèi)和組合，研究不同微合金化元素對(duì)合金性能的影響規(guī)律，如在Cu-Zr-Al系合金中添加稀土元素Y、Ce、Sm、La等，研究其對(duì)合金玻璃形成能力和熱穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，結(jié)合先進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子探針層析成像（APT）等，深入探究微合金化元素在原子尺度上的作用機(jī)制，建立合金微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的定量關(guān)系。然而，目前在微合金化銅基塊狀非晶合金的研究中，仍存在一些問(wèn)題亟待解決，如制備工藝的成本較高、生產(chǎn)效率較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；在復(fù)雜服役環(huán)境下，合金的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性研究還不夠充分等。2.3應(yīng)用領(lǐng)域微合金化銅基塊狀非晶憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展前景。航空航天領(lǐng)域：在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的性能要求極為嚴(yán)苛，需要材料具備高強(qiáng)度、低密度、良好的耐腐蝕性以及優(yōu)異的疲勞性能等。微合金化銅基塊狀非晶合金的高強(qiáng)度和低密度特性，使其成為制造航空航天結(jié)構(gòu)件的理想材料之一。例如，在飛行器的機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件中應(yīng)用微合金化銅基塊狀非晶合金，能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，有效減輕部件重量，從而提高飛行器的燃油效率，增加航程。其良好的耐腐蝕性可確保部件在復(fù)雜的高空環(huán)境和惡劣的氣候條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，減少維護(hù)成本和故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，微合金化銅基塊狀非晶合金優(yōu)異的疲勞性能，使其能夠承受飛行器在飛行過(guò)程中頻繁的交變載荷，提高結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命。在一些先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，嘗試使用微合金化銅基塊狀非晶合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、盤(pán)件等部件，利用其高溫性能和耐磨性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和性能。電子領(lǐng)域：電子領(lǐng)域?qū)Σ牧系膶?dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性有著較高要求。微合金化銅基塊狀非晶合金在電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在大規(guī)模集成電路中，可用于制造引線框架。由于其具有良好的導(dǎo)電性，能夠確保電子信號(hào)的快速傳輸，減少信號(hào)延遲；同時(shí)，其尺寸穩(wěn)定性好，在不同的工作溫度和環(huán)境條件下，能夠保持精確的尺寸，保證集成電路的性能穩(wěn)定可靠。在電子封裝材料方面，微合金化銅基塊狀非晶合金的低熱膨脹系數(shù)和良好的熱傳導(dǎo)性能，使其能夠有效地解決電子器件在工作過(guò)程中的散熱問(wèn)題，避免因溫度過(guò)高導(dǎo)致器件性能下降或損壞。此外，其良好的耐腐蝕性也能保護(hù)電子器件免受外界環(huán)境的侵蝕，提高電子設(shè)備的可靠性和使用壽命。一些高端的智能手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品中，已經(jīng)開(kāi)始嘗試應(yīng)用微合金化銅基塊狀非晶合金材料，以提升產(chǎn)品的性能和品質(zhì)。機(jī)械領(lǐng)域：在機(jī)械領(lǐng)域，微合金化銅基塊狀非晶合金主要應(yīng)用于制造高精度模具和機(jī)械零部件。在模具制造中，其高強(qiáng)度和高硬度特性使其能夠承受模具在成型過(guò)程中所受到的巨大壓力和摩擦力，顯著提高模具的耐磨性和使用壽命，降低模具的更換頻率，提高生產(chǎn)效率。對(duì)于機(jī)械零部件，如齒輪、軸類(lèi)等，微合金化銅基塊狀非晶合金的高強(qiáng)度和良好的韌性，使其能夠在承受較大載荷的情況下，不易發(fā)生變形和斷裂，提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在汽車(chē)制造中，使用微合金化銅基塊狀非晶合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，如曲軸、連桿等，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和耐久性；在機(jī)床制造中，應(yīng)用于制造機(jī)床的導(dǎo)軌、絲杠等部件，可提高機(jī)床的精度和加工性能。三、制備方法與過(guò)程3.1常用制備方法在微合金化銅基塊狀非晶的研究與生產(chǎn)中，多種制備方法被廣泛應(yīng)用，每種方法都基于獨(dú)特的原理，并展現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。水淬法：水淬法的原理是將合金置于石英管中，通過(guò)加熱使其完全熔化，隨后迅速將裝有合金液的石英管淬入流動(dòng)的水中。水具有較高的比熱容，能夠快速吸收合金液的熱量，使合金液在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷劇烈的冷卻過(guò)程，冷卻速率可高達(dá)10^4-10^6K/s。這種快速冷卻能夠有效抑制合金原子的擴(kuò)散和晶體的形核長(zhǎng)大，使合金原子來(lái)不及進(jìn)行規(guī)則排列，從而形成長(zhǎng)程無(wú)序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。該方法的設(shè)備主要包括加熱裝置（如電阻爐、感應(yīng)爐等）、石英管以及用于盛裝流動(dòng)水的容器。水淬法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，操作相對(duì)容易，成本較為低廉，在早期的非晶合金制備研究中應(yīng)用廣泛。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯，由于冷卻過(guò)程難以精確控制，所得非晶合金的質(zhì)量和性能均勻性較差，且受到冷卻速率和合金本身特性的限制，難以制備出大尺寸的塊體非晶合金，通常只能制備出小尺寸的非晶樣品，如薄片、細(xì)絲等，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的局限性。射流成型法：射流成型法是將母合金放置于底部帶有小孔的石英管中，利用加熱設(shè)備將母合金加熱至熔化狀態(tài)。在石英管上方導(dǎo)入高壓氫氣，在氫氣壓力的作用下，液態(tài)母合金從小孔中高速?lài)姵?，注入下方預(yù)先準(zhǔn)備好的水冷銅模型腔內(nèi)。高速?lài)娚涞暮辖鹨号c水冷銅模接觸后，迅速散熱冷卻，冷卻速率可達(dá)10^3-10^5K/s。這種快速冷卻方式使得合金能夠快速越過(guò)晶化階段，形成非晶態(tài)。射流成型法的設(shè)備除了加熱裝置、石英管外，還需要配備高壓氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和水冷銅模。該方法的優(yōu)勢(shì)在于具有較高的冷卻速率，有利于提高合金的非晶形成能力，能夠制備出形狀較為復(fù)雜的非晶制品。但設(shè)備成本較高，技術(shù)難度較大，對(duì)操作人員的技能要求也較高。此外，在噴射過(guò)程中，合金液可能會(huì)受到外界環(huán)境的污染，且有可能得到非晶粉末而非塊狀非晶合金，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。金屬模鑄造：金屬模鑄造法是將熔煉好的合金液直接澆鑄到金屬模具中。金屬模具通常采用導(dǎo)熱性良好的材料制成，如銅、鋼等。當(dāng)高溫合金液注入模具后，模具能夠迅速吸收合金液的熱量，使合金液快速冷卻凝固。其冷卻速率一般在10-10^3K/s，雖然相較于水淬法和射流成型法的冷卻速率較低，但對(duì)于一些玻璃形成能力較強(qiáng)的銅基合金體系，仍足以使其形成非晶態(tài)。該方法的設(shè)備主要包括熔煉爐、澆鑄裝置以及金屬模具。金屬模鑄造法能夠制備出尺寸較大、形狀規(guī)則的塊體非晶合金，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。它可以通過(guò)調(diào)整模具的形狀和尺寸，生產(chǎn)出各種不同規(guī)格的產(chǎn)品。然而，對(duì)模具的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)要求較高，模具需要具備良好的導(dǎo)熱性、強(qiáng)度和耐磨性，以保證在反復(fù)使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形和損壞。同時(shí)，鑄造過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷，影響合金的質(zhì)量和性能，需要通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧﹣?lái)加以控制。復(fù)合爆炸焊接法：復(fù)合爆炸焊接法利用炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的瞬間高溫高壓能量。將不同的金屬材料（其中至少一種為銅基合金）按一定的方式組合放置，在炸藥爆炸的作用下，金屬材料在界面處發(fā)生劇烈的塑性變形和原子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，形成具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的非晶復(fù)合材料。爆炸產(chǎn)生的壓力可達(dá)數(shù)十到數(shù)百千巴，溫度可達(dá)數(shù)千攝氏度，在這種極端條件下，合金原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)原子間的混合和非晶態(tài)的形成。該方法的設(shè)備主要包括炸藥、爆炸裝置以及用于固定和保護(hù)金屬材料的工裝夾具。復(fù)合爆炸焊接法可制備出具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的非晶復(fù)合材料，如在銅基合金表面復(fù)合其他金屬或陶瓷材料，以獲得兼具多種性能的材料。但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程存在一定的危險(xiǎn)性，需要嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程。由于爆炸過(guò)程的不可控性，難以精確控制合金的成分和性能，產(chǎn)品的一致性較差，限制了其在一些對(duì)性能要求嚴(yán)格的領(lǐng)域的應(yīng)用。機(jī)械合金化法：機(jī)械合金化法是在高純氬氣的保護(hù)氛圍下，將按一定比例混合的元素粉末加入到球磨機(jī)中。在球磨機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨球與粉末之間不斷發(fā)生碰撞、冷焊和破碎等作用。每次碰撞時(shí)，磨球給予粉末顆粒巨大的能量，使粉末顆粒發(fā)生塑性變形，不同元素的原子在界面處相互擴(kuò)散、混合。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，原子間的擴(kuò)散和混合逐漸均勻，最終形成非晶態(tài)合金。該方法的設(shè)備主要是球磨機(jī)以及配套的氣體保護(hù)裝置和粉末處理設(shè)備。機(jī)械合金化法可制備出成分均勻、顆粒細(xì)小的非晶粉末，通過(guò)后續(xù)的壓制、燒結(jié)等工藝，可將這些粉末制成塊體材料。但制備周期長(zhǎng)，能耗高，設(shè)備磨損嚴(yán)重，且難以直接制備出大塊體非晶合金，通常需要與其他成型工藝相結(jié)合。粉末固結(jié)成形法：粉末固結(jié)成形法是利用大塊非晶合金在過(guò)冷溫度區(qū)間所具有的超塑成形能力。首先采用其他方法（如機(jī)械合金化法、霧化法等）制備出非晶粉末，然后將這些非晶粉末置于模具中。在一定的溫度和壓力條件下，非晶粉末在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)發(fā)生粘性流動(dòng)，逐漸填充模具型腔，實(shí)現(xiàn)粉末之間的相互結(jié)合和致密化，最終加工成所需形狀的塊體非晶合金。該方法的設(shè)備包括粉末制備設(shè)備、模具以及能夠提供合適溫度和壓力的熱壓裝置或熱等靜壓裝置等。粉末固結(jié)成形法能夠制備出接近最終形狀的制品，有利于后續(xù)加工，減少加工余量，提高材料利用率。但對(duì)粉末的制備工藝和質(zhì)量要求較高，粉末的粒度分布、純度等因素都會(huì)影響最終產(chǎn)品的性能。同時(shí)，固結(jié)過(guò)程中的溫度、壓力等工藝參數(shù)需要精確控制，以確保非晶粉末能夠充分致密化且不發(fā)生晶化，設(shè)備成本也相對(duì)較高。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備本研究選用磁懸浮-銅模吸鑄法作為制備微合金化銅基塊狀非晶的主要方法。磁懸浮技術(shù)能夠使合金熔體在懸浮狀態(tài)下熔煉，有效避免了坩堝材料對(duì)合金的污染，提高了合金的純度。同時(shí)，結(jié)合銅模吸鑄法能夠?qū)崿F(xiàn)快速冷卻，有利于非晶態(tài)的形成。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，首先確定了合金體系為Cu-Zr-Al系，并在此基礎(chǔ)上添加不同種類(lèi)和含量的微合金化元素，如稀土元素Y、Ce、Sm、La以及過(guò)渡金屬元素Ag、Gd、Nd等，設(shè)計(jì)了一系列合金成分，以研究微合金化元素對(duì)合金性能的影響。實(shí)驗(yàn)所需原材料主要包括純度為99.9%以上的電解銅（Cu）、金屬鋯（Zr）、金屬鋁（Al）、稀土元素（Y、Ce、Sm、La等）以及過(guò)渡金屬元素（Ag、Gd、Nd等）。這些原材料在實(shí)驗(yàn)前均進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，確保其純度和成分符合實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，采用了磁懸浮熔煉爐，其具有精確的溫度控制和良好的真空環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)合金的懸浮熔煉；銅模吸鑄裝置，包括水冷銅模和吸鑄系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)合金熔體的快速吸鑄和冷卻；配備了高精度的電子天平，用于準(zhǔn)確稱(chēng)量原材料的質(zhì)量，精度達(dá)到0.0001g。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備上，確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地清潔、干燥，避免灰塵和水分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了全面檢查和調(diào)試，保證設(shè)備運(yùn)行正常。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制環(huán)境溫度和濕度，將環(huán)境溫度控制在25℃±2℃，相對(duì)濕度控制在40%-60%，以確保實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性。3.3制備過(guò)程與參數(shù)控制磁懸浮-銅模吸鑄法的制備過(guò)程主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。首先是原材料準(zhǔn)備，依據(jù)設(shè)計(jì)好的合金成分，使用高精度電子天平精確稱(chēng)取純度為99.9%以上的電解銅（Cu）、金屬鋯（Zr）、金屬鋁（Al）、稀土元素（Y、Ce、Sm、La等）以及過(guò)渡金屬元素（Ag、Gd、Nd等）等原材料，確保稱(chēng)量精度達(dá)到0.0001g，以保證合金成分的準(zhǔn)確性。將稱(chēng)取好的原材料放入磁懸浮熔煉爐的懸浮腔中。關(guān)閉懸浮腔，啟動(dòng)真空泵，將腔內(nèi)空氣抽出，使腔內(nèi)達(dá)到高真空狀態(tài)，一般真空度需達(dá)到10^-3Pa量級(jí)，隨后充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，防止合金在熔煉過(guò)程中被氧化。開(kāi)啟磁懸浮熔煉爐的電源，通過(guò)電磁感應(yīng)使懸浮腔內(nèi)的合金原材料產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于電流的熱效應(yīng)，合金原材料迅速升溫熔化。在熔煉過(guò)程中，利用溫度控制系統(tǒng)精確監(jiān)測(cè)和控制熔煉溫度，使溫度保持在比合金液相線溫度高100-200℃，以確保合金充分熔化且成分均勻。當(dāng)合金完全熔化并達(dá)到預(yù)定的熔煉溫度后，保持該溫度一段時(shí)間，一般為10-15分鐘，使合金元素充分?jǐn)U散，進(jìn)一步保證成分的均勻性。在熔煉的同時(shí)，對(duì)水冷銅模進(jìn)行預(yù)熱處理，將水冷銅模安裝在吸鑄裝置上，通過(guò)加熱系統(tǒng)將銅模預(yù)熱至100-200℃，這樣可以減少合金液與銅模之間的溫差，避免因溫度驟變導(dǎo)致合金產(chǎn)生缺陷。預(yù)熱完成后，啟動(dòng)吸鑄系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)吸鑄系統(tǒng)的真空度，使銅模內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境。當(dāng)負(fù)壓達(dá)到一定值，一般為-0.08--0.1MPa時(shí)，打開(kāi)懸浮腔與銅模之間的通道，在負(fù)壓的作用下，合金熔體迅速?gòu)膽腋∏晃胨溷~模的型腔中。合金熔體進(jìn)入銅模后，水冷系統(tǒng)立即啟動(dòng)，通過(guò)循環(huán)水快速帶走合金熔體的熱量，使合金以較高的冷卻速率凝固，冷卻速率一般可達(dá)10^2-10^4K/s，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。待合金完全凝固后，關(guān)閉吸鑄系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，取出成型的微合金化銅基塊狀非晶合金試樣。在整個(gè)制備過(guò)程中，多個(gè)參數(shù)對(duì)制備結(jié)果有著重要影響。熔煉溫度直接影響合金的熔化狀態(tài)和成分均勻性。若熔煉溫度過(guò)低，合金可能無(wú)法完全熔化，導(dǎo)致成分不均勻，影響非晶的形成和性能；而熔煉溫度過(guò)高，不僅會(huì)增加能耗和生產(chǎn)成本，還可能使合金元素?fù)]發(fā)損失，改變合金的實(shí)際成分，同樣對(duì)非晶的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。冷卻速度是決定合金能否形成非晶以及非晶質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。較高的冷卻速度能夠有效抑制晶體的形核和長(zhǎng)大，有利于非晶態(tài)的形成。如果冷卻速度不足，合金原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行規(guī)則排列，容易形成晶態(tài)組織，降低非晶的含量和性能。模具材料的導(dǎo)熱性對(duì)冷卻速度有著重要影響，導(dǎo)熱性良好的銅模能夠快速將合金熔體的熱量傳遞出去，實(shí)現(xiàn)快速冷卻。若模具材料導(dǎo)熱性差，冷卻速度會(huì)降低，難以形成高質(zhì)量的非晶。此外，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響合金的成型質(zhì)量，合理的模具結(jié)構(gòu)可以保證合金熔體均勻填充型腔，避免出現(xiàn)縮孔、氣孔等缺陷。3.4注意事項(xiàng)與問(wèn)題解決在制備微合金化銅基塊狀非晶的過(guò)程中，有多個(gè)關(guān)鍵的注意事項(xiàng)需要嚴(yán)格把控，同時(shí)對(duì)于可能出現(xiàn)的問(wèn)題，也需制定相應(yīng)的解決措施。防止氧化是至關(guān)重要的一點(diǎn)。在原材料準(zhǔn)備階段，應(yīng)確保原材料的表面清潔，避免表面存在氧化物等雜質(zhì)。對(duì)于一些易氧化的元素，如稀土元素，可采用真空包裝或在惰性氣體環(huán)境中保存，減少其與空氣的接觸。在熔煉過(guò)程中，要保證熔煉爐的真空度或充入足夠的保護(hù)氣體（如高純氬氣），防止合金熔體在高溫下被氧化。若合金被氧化，會(huì)改變合金的成分和性能，導(dǎo)致非晶形成能力下降，力學(xué)性能變差。如在熔煉過(guò)程中，若合金表面出現(xiàn)明顯的氧化膜，會(huì)影響合金的流動(dòng)性和均勻性，使最終制備的非晶合金內(nèi)部存在缺陷?？刂齐s質(zhì)含量同樣不容忽視。原材料的純度直接影響合金的質(zhì)量，應(yīng)選用高純度的原材料，如純度為99.9%以上的電解銅、金屬鋯、金屬鋁等。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，要保持環(huán)境的清潔，避免灰塵、油污等雜質(zhì)混入合金中。使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如坩堝、模具等，在使用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和烘干處理，去除表面的雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在可能會(huì)成為非晶晶化的核心，降低非晶的穩(wěn)定性，影響合金的性能。例如，當(dāng)合金中混入少量的碳雜質(zhì)時(shí)，可能會(huì)形成碳化物，導(dǎo)致合金的硬度和脆性增加，塑性降低。在制備過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些常見(jiàn)問(wèn)題。若遇到非晶形成不完全的情況，即部分合金未形成非晶態(tài)，而是出現(xiàn)了晶態(tài)組織，可能是由于冷卻速度不足、熔煉溫度不合適或合金成分不均勻等原因?qū)е?。解決方法是優(yōu)化制備工藝參數(shù)，提高冷卻速度，確保冷卻速率達(dá)到10^2-10^4K/s，如調(diào)整水冷系統(tǒng)的水流速度和流量；精確控制熔煉溫度，使其比合金液相線溫度高100-200℃，并保證在熔煉過(guò)程中溫度的穩(wěn)定性；延長(zhǎng)熔煉時(shí)間，使合金元素充分?jǐn)U散，確保成分均勻，一般可將熔煉時(shí)間保持在10-15分鐘。若出現(xiàn)合金內(nèi)部存在氣孔、縮孔等缺陷的問(wèn)題，可能是由于吸鑄過(guò)程中負(fù)壓不足、模具設(shè)計(jì)不合理或合金熔體中氣體含量過(guò)高引起的。解決措施包括檢查吸鑄系統(tǒng)，確保負(fù)壓達(dá)到-0.08--0.1MPa，保證合金熔體能夠順利吸入銅模；優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)澆口和冒口，使合金熔體在填充型腔時(shí)能夠順利排出氣體，避免氣體被困在合金內(nèi)部形成氣孔；在熔煉前對(duì)原材料進(jìn)行充分的預(yù)處理，如對(duì)易吸氣的元素進(jìn)行除氣處理，減少合金熔體中的氣體含量。四、力學(xué)性能研究4.1硬度測(cè)試與分析本研究利用布洛維光學(xué)硬度計(jì)對(duì)直徑為3mm的Cu50-xZr42Al8Mx（M=Gd、Nd、Ag，x為添加元素的原子百分比）非晶合金進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。測(cè)試前，對(duì)布洛維光學(xué)硬度計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)，確保其精度滿足測(cè)試要求。在試樣表面選取多個(gè)均勻分布的測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的距離不小于3倍的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，以避免相鄰壓痕之間的相互影響。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)施加一定的試驗(yàn)力，保持一定時(shí)間后卸載，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，根據(jù)維氏硬度計(jì)算公式HV=0.1891\times\frac{F}{d^2}（其中HV為維氏硬度值，F(xiàn)為試驗(yàn)力，d為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度）計(jì)算出維氏硬度值，并對(duì)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的硬度值取平均值作為該試樣的硬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加不同元素對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的硬度產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)添加稀土元素Gd、Nd后，非晶合金的硬度有不同程度的降低。對(duì)于添加Gd的Cu50-xZr42Al8Gdx非晶合金，隨著Gd含量的增加，硬度逐漸下降。這是因?yàn)橄⊥猎谿d原子半徑較大，在合金中主要以固溶的形式存在，形成置換固溶體。較大的Gd原子溶入銅基非晶合金的晶格中，會(huì)產(chǎn)生晶格畸變，使原子間的鍵合力減弱。在硬度測(cè)試過(guò)程中，這種晶格畸變使得位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致合金的硬度降低。添加Nd元素時(shí)，情況類(lèi)似，Nd原子同樣會(huì)引起晶格畸變，降低合金的硬度。而當(dāng)添加合金元素Ag時(shí)，非晶合金的硬度得到了提高。在Cu50-xZr42Al8Agx合金中，隨著Ag含量由0增加至4at.%的過(guò)程中，硬度值Hv由406上升到527。這主要是由于Ag元素的添加，一方面可能會(huì)與合金中的其他元素形成一些細(xì)小的化合物相，這些化合物相彌散分布在非晶基體中，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到這些細(xì)小的化合物相時(shí)，需要消耗更多的能量才能繞過(guò)它們，從而增加了合金的變形阻力，提高了硬度；另一方面，Ag原子與銅基非晶合金中的其他原子之間可能存在較強(qiáng)的相互作用，使原子間的鍵合力增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了合金的硬度。4.2拉伸性能測(cè)試與分析采用材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)鑄態(tài)啞鈴形Cu50Zr42Al8非晶合金以及經(jīng)400℃×1h等溫退火后的試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行拉伸測(cè)試前，先使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測(cè)量啞鈴形試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度、寬度和厚度，每個(gè)尺寸測(cè)量3次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。將試樣安裝在材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的夾具上，確保試樣的軸線與試驗(yàn)機(jī)的拉伸軸線重合，以保證拉伸力均勻施加在試樣上。在試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，設(shè)置拉伸速度為1mm/min，這一速度既能保證測(cè)試過(guò)程中試樣的變形過(guò)程相對(duì)緩慢，使測(cè)試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確地反映材料的力學(xué)性能，又能在合理的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)始施加拉伸力，實(shí)時(shí)記錄拉伸過(guò)程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，直至試樣斷裂。對(duì)于由單輥甩帶工藝制備的Cu50Zr42Al8非晶薄帶，由于其尺寸較小且形狀特殊，在測(cè)試前需對(duì)其進(jìn)行特殊的處理和裝夾。使用專(zhuān)用的薄片夾具，將非晶薄帶試樣小心地固定在夾具中，確保夾具與薄帶之間的接觸良好，避免在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)打滑或應(yīng)力集中的現(xiàn)象。同樣依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置拉伸速度為0.5mm/min，因?yàn)楸У暮穸容^薄，較小的拉伸速度可以更好地控制薄帶的變形過(guò)程，防止因變形過(guò)快而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。在測(cè)試過(guò)程中，同樣實(shí)時(shí)記錄拉伸過(guò)程中的載荷和位移數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鑄態(tài)啞鈴形Cu50Zr42Al8非晶合金經(jīng)400℃×1h等溫退火后，拉伸強(qiáng)度及塑性均有所提高。退火前，試樣的拉伸強(qiáng)度較低，塑性較差，斷裂時(shí)的應(yīng)變較?。煌嘶鸷?，斷裂強(qiáng)度及最大應(yīng)變值分別達(dá)到755MPa和0.80%。這是因?yàn)樵谕嘶疬^(guò)程中，非晶合金內(nèi)部的原子發(fā)生了一定程度的弛豫，一些缺陷得到修復(fù)，原子間的排列更加有序，從而提高了合金的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，退火過(guò)程可能導(dǎo)致合金內(nèi)部析出一些細(xì)小的第二相粒子，這些粒子可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到強(qiáng)化作用，進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度。由單輥甩帶工藝制備的Cu50Zr42Al8非晶薄帶在拉伸過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形，拉伸強(qiáng)度為549.7MPa。這主要是由于單輥甩帶工藝制備的非晶薄帶在快速凝固過(guò)程中，形成了高度無(wú)序的原子結(jié)構(gòu)，內(nèi)部缺陷較少，位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)。在拉伸過(guò)程中，當(dāng)外力較小時(shí)，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生彈性變化，表現(xiàn)為彈性變形；當(dāng)外力達(dá)到一定程度時(shí)，原子間的鍵迅速斷裂，導(dǎo)致材料直接發(fā)生脆性斷裂，幾乎沒(méi)有塑性變形。與鑄態(tài)啞鈴形試樣相比，非晶薄帶的拉伸強(qiáng)度較低，這可能與薄帶的制備工藝和尺寸效應(yīng)有關(guān)。單輥甩帶工藝的冷卻速率極高，可能導(dǎo)致合金內(nèi)部存在一些微觀應(yīng)力集中點(diǎn)，降低了材料的強(qiáng)度；同時(shí)，薄帶的尺寸較小，表面積與體積比較大，表面效應(yīng)也可能對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響。4.3壓縮性能測(cè)試與分析采用材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)Cu50-xZr42Al8Mx（M=Gd、Nd、Ag，x為添加元素的原子百分比）非晶棒材進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。依據(jù)GB/T7314-2017《金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試前，使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量非晶棒材試樣的直徑和高度，每個(gè)尺寸測(cè)量3次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。將試樣放置在材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的壓頭之間，確保試樣的軸線與壓頭的中心線重合，以保證壓縮力均勻施加在試樣上。在試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，設(shè)置壓縮速度為0.5mm/min，該速度能夠使試樣在壓縮過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定的變形狀態(tài)，便于準(zhǔn)確記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)始施加壓縮力，實(shí)時(shí)記錄壓縮過(guò)程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生斷裂或達(dá)到預(yù)定的壓縮應(yīng)變。添加不同元素對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)添加稀土元素Gd、Nd后，非晶合金的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低。對(duì)于添加Gd的Cu50-xZr42Al8Gdx非晶合金，隨著Gd含量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸下降。這是因?yàn)镚d原子半徑較大，在合金中形成置換固溶體，引起晶格畸變，使原子間的鍵合力減弱。在壓縮過(guò)程中，這種晶格畸變使得位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致合金更容易發(fā)生塑性變形，從而降低了抗壓強(qiáng)度。添加Nd元素時(shí)，情況類(lèi)似，Nd原子的加入同樣導(dǎo)致晶格畸變，降低了合金的抗壓強(qiáng)度。而當(dāng)添加合金元素Ag時(shí)，Cu基塊狀非晶的抗壓強(qiáng)度得到了提高。在Cu50-xZr42Al8Agx合金中，隨著Ag含量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，其中Cu46Zr42Al8Ag4非晶合金具有最大的抗壓強(qiáng)度，達(dá)到2038MPa，最大應(yīng)變量為4.25%。這主要是由于Ag元素的添加，一方面可能形成了一些細(xì)小的化合物相，這些化合物相彌散分布在非晶基體中，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加了合金的變形阻力，提高了抗壓強(qiáng)度；另一方面，Ag原子與其他原子之間較強(qiáng)的相互作用，增強(qiáng)了原子間的鍵合力，也有助于提高合金的抗壓強(qiáng)度。對(duì)壓縮后的試樣斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)所有試樣的斷裂形式均為典型的脆性斷裂，斷面呈脈絡(luò)狀花樣。這是因?yàn)殂~基塊狀非晶合金內(nèi)部原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，不存在晶體中的滑移系，在壓縮應(yīng)力作用下，位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)和增殖。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，原子間的鍵迅速斷裂，裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂，形成具有脈絡(luò)狀花樣的斷口形貌。4.4彎曲性能測(cè)試與分析本研究采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)Cu50Zr42Al8和Cu47Zr42Al8Ag4非晶合金進(jìn)行彎曲性能測(cè)試。測(cè)試依據(jù)GB/T6569-2006《精細(xì)陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試前，使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測(cè)量試樣的長(zhǎng)度、寬度和厚度，每個(gè)尺寸測(cè)量3次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。將試樣放置在材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的三點(diǎn)彎曲夾具上，保證試樣的中心與下支撐點(diǎn)的中心對(duì)齊，且試樣的長(zhǎng)度方向與加載方向垂直。在試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，設(shè)置加載速度為0.5mm/min，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢施加彎曲載荷，實(shí)時(shí)記錄彎曲過(guò)程中的載荷和位移數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生斷裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu50Zr42Al8非晶合金的抗彎強(qiáng)度為2717.57MPa，而Cu47Zr42Al8Ag4非晶合金的抗彎強(qiáng)度增加到2955MPa。這表明添加合金元素Ag能夠顯著提高銅基塊狀非晶的抗彎強(qiáng)度。這主要是由于Ag元素的添加，一方面形成了一些細(xì)小的化合物相，這些化合物相彌散分布在非晶基體中，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，增加了合金在彎曲過(guò)程中的變形阻力，從而提高了抗彎強(qiáng)度；另一方面，Ag原子與其他原子之間較強(qiáng)的相互作用，增強(qiáng)了原子間的鍵合力，使合金在承受彎曲載荷時(shí)更不易發(fā)生斷裂，進(jìn)一步提高了抗彎強(qiáng)度。五、影響力學(xué)性能的因素5.1合金成分的影響合金成分對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的力學(xué)性能有著顯著且復(fù)雜的影響，不同合金元素的添加種類(lèi)和含量會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能呈現(xiàn)出多樣化的變化規(guī)律。當(dāng)添加稀土元素Gd時(shí)，在Cu50-xZr42Al8Gdx非晶合金體系中，隨著Gd含量的增加，合金的硬度和抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)不同程度的降低。這主要?dú)w因于Gd原子半徑較大，在合金中主要以固溶的形式存在，形成置換固溶體。較大的Gd原子溶入銅基非晶合金的晶格中，會(huì)產(chǎn)生較大的晶格畸變。這種晶格畸變使得原子間的鍵合力減弱，在受力時(shí)，位錯(cuò)更容易在晶格中運(yùn)動(dòng)，從而降低了合金抵抗變形的能力，導(dǎo)致硬度和抗壓強(qiáng)度下降。添加Nd元素時(shí)，對(duì)合金力學(xué)性能的影響趨勢(shì)與Gd類(lèi)似。在Cu50-xZr42Al8Ndx非晶合金中，隨著Nd含量的增加，合金的硬度和抗壓強(qiáng)度同樣降低。Nd原子的加入同樣會(huì)引起晶格畸變，破壞了合金原子間的有序排列，削弱了原子間的結(jié)合力。在硬度測(cè)試和壓縮實(shí)驗(yàn)中，這種結(jié)構(gòu)變化使得合金更容易發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為硬度和抗壓強(qiáng)度的降低。與稀土元素Gd、Nd不同，添加合金元素Ag對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的力學(xué)性能有著積極的提升作用。在Cu50-xZr42Al8Agx合金體系中，隨著Ag含量由0增加至4at.%，硬度值Hv由406上升到527，Cu46Zr42Al8Ag4非晶合金的抗壓強(qiáng)度達(dá)到2038MPa，最大應(yīng)變量為4.25%，抗彎強(qiáng)度也有所增加。Ag元素的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面，Ag元素可能會(huì)與合金中的其他元素形成一些細(xì)小的化合物相，這些化合物相彌散分布在非晶基體中，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙。當(dāng)位錯(cuò)在合金中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到這些細(xì)小的化合物相，需要消耗更多的能量才能繞過(guò)它們，從而增加了合金的變形阻力，提高了硬度、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度；另一方面，Ag原子與銅基非晶合金中的其他原子之間存在較強(qiáng)的相互作用，這種相互作用增強(qiáng)了原子間的鍵合力，使得合金在承受外力時(shí)，原子間更不容易發(fā)生相對(duì)位移，進(jìn)一步提高了合金的力學(xué)性能。合金元素的含量對(duì)力學(xué)性能的影響并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，添加某些元素可能會(huì)使合金的力學(xué)性能逐漸提升，但當(dāng)元素含量超過(guò)一定閾值時(shí)，力學(xué)性能可能不再提高，甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。對(duì)于添加Ag的Cu基塊狀非晶合金，在Ag含量較低時(shí)，隨著Ag含量的增加，合金的力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)；但當(dāng)Ag含量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金中形成過(guò)多的化合物相，這些化合物相可能會(huì)團(tuán)聚，降低了其對(duì)合金的強(qiáng)化效果，甚至可能成為裂紋源，降低合金的韌性和強(qiáng)度。5.2制備工藝的影響制備工藝對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的性能有著至關(guān)重要的影響，其中熔體過(guò)熱處理和過(guò)冷處理是兩種關(guān)鍵的制備工藝，它們通過(guò)不同的方式改變合金的凝固過(guò)程，進(jìn)而對(duì)非晶形成能力、熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。熔體過(guò)熱處理是指在合金熔煉過(guò)程中，將合金熔體加熱到高于其液相線溫度一定程度，然后再進(jìn)行后續(xù)的凝固操作。在制備直徑為3mm的Cu45Zr42Al8Ag5非晶合金時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)熔體過(guò)熱處理能夠顯著增強(qiáng)非晶的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。隨著過(guò)熱溫度的提高，銅基非晶的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力都得到提高。當(dāng)熔體過(guò)熱度為147K時(shí)，非晶合金具有最好的熱穩(wěn)定性，過(guò)冷液相區(qū)寬度ΔTx達(dá)到75K，同時(shí)，其非晶形成能力也最大，其參數(shù)γ為0.4242。這是因?yàn)槿垠w過(guò)熱處理可以使合金熔體中的原子更加均勻地分布，減少成分偏析，從而降低了晶核形成的驅(qū)動(dòng)力，抑制了晶體的形核和長(zhǎng)大，有利于非晶態(tài)的形成。較高的過(guò)熱溫度還可能使合金熔體中的一些雜質(zhì)原子或微小顆粒溶解，減少了它們作為晶核的可能性，進(jìn)一步提高了非晶形成能力。在熱穩(wěn)定性方面，均勻的原子分布和較少的晶核形成位點(diǎn)，使得非晶合金在加熱過(guò)程中更不容易發(fā)生晶化，從而提高了熱穩(wěn)定性。過(guò)冷處理則是將合金熔體冷卻到低于其平衡液相線溫度，在過(guò)冷狀態(tài)下進(jìn)行凝固。對(duì)通過(guò)過(guò)冷處理的圓柱形Cu45Zr42Al8Ag5試樣進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，非晶合金大多數(shù)析出了晶體相，形成了內(nèi)生復(fù)合材料。銅基非晶合金具有較強(qiáng)的非晶形成能力，臨界尺寸為12.86-13.76mm，都能達(dá)到厘米級(jí)，過(guò)冷液相區(qū)ΔTx在70-75之間，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg在0.621-0.627之間，參數(shù)γ在0.4231-0.4240之間，臨界冷卻速率Rc基本呈下降趨勢(shì)。相比較得出的熱力學(xué)參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，7#試樣具有最好的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。過(guò)冷處理下，合金熔體在過(guò)冷狀態(tài)下，原子的擴(kuò)散能力降低，晶核的形成和長(zhǎng)大受到一定程度的抑制，但由于過(guò)冷度的存在，仍然會(huì)有部分晶體相析出。在這種情況下，形成的內(nèi)生復(fù)合材料中，晶體相和非晶相相互作用，可能會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。例如，晶體相的存在可以作為強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)也可能會(huì)降低合金的塑性；而非晶相則提供了一定的韌性和良好的成型性能。在力學(xué)性能方面，熔體過(guò)熱處理和過(guò)冷處理也表現(xiàn)出不同的影響。對(duì)過(guò)熱度不同的直徑為3mm的棒狀非晶合金Cu45Zr42Al8Ag5進(jìn)行壓縮測(cè)試發(fā)現(xiàn)，過(guò)熱度的增大降低了Cu45Zr42Al8Ag5非晶合金的斷裂強(qiáng)度，隨過(guò)熱度的增大，相對(duì)壓縮率逐漸降低，斷裂形式為典型的脆性斷裂，斷面呈現(xiàn)脈紋花樣。這可能是由于過(guò)熱度增大，雖然提高了非晶形成能力和熱穩(wěn)定性，但也可能導(dǎo)致合金內(nèi)部的應(yīng)力集中增加，在受力時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂。而過(guò)冷處理后的試樣基本都具有一定的塑性，抗壓強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)都降低，吸鑄溫度為1090K保溫2min的試樣具有最大的抗壓強(qiáng)度2266MPa，保溫4min的試樣具有最大的相對(duì)壓縮率11.7%，保溫6min的試樣具有最大的斷裂塑性應(yīng)變1.46%。過(guò)冷處理下形成的內(nèi)生復(fù)合材料中的晶體相和非晶相的相互作用，使得合金在受力時(shí)能夠發(fā)生一定的塑性變形，提高了塑性。但隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致晶體相的長(zhǎng)大和粗化，降低了其對(duì)合金的強(qiáng)化效果，從而使抗壓強(qiáng)度降低。5.3微觀結(jié)構(gòu)的影響借助透射電鏡（TEM）等先進(jìn)分析手段，對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的微觀結(jié)構(gòu)展開(kāi)深入研究，結(jié)果顯示，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，并且與力學(xué)性能之間存在著緊密而復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系。在添加稀土元素Gd的Cu50-xZr42Al8Gdx非晶合金中，通過(guò)TEM觀察發(fā)現(xiàn)，Gd原子主要以固溶的形式存在于非晶基體中，形成置換固溶體。由于Gd原子半徑較大，其溶入后在非晶基體中產(chǎn)生了明顯的晶格畸變。這種晶格畸變使得原子間的鍵合力減弱，微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。在力學(xué)性能方面，如硬度測(cè)試中，晶格畸變使得位錯(cuò)更容易在晶格中運(yùn)動(dòng)，從而降低了合金抵抗變形的能力，導(dǎo)致硬度下降；在壓縮性能測(cè)試中，位錯(cuò)的易動(dòng)性使得合金在較小的外力作用下就容易發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)于添加Nd元素的Cu50-xZr42Al8Ndx非晶合金，微觀結(jié)構(gòu)同樣顯示出Nd原子引起的晶格畸變。Nd原子的加入破壞了非晶基體原子間的有序排列，削弱了原子間的結(jié)合力。在拉伸性能測(cè)試中，這種微觀結(jié)構(gòu)的變化使得合金在承受拉力時(shí)，原子間的結(jié)合力不足以抵抗外力，導(dǎo)致合金更容易發(fā)生斷裂，拉伸強(qiáng)度降低；在彎曲性能測(cè)試中，晶格畸變使得合金在彎曲過(guò)程中更容易產(chǎn)生裂紋，降低了抗彎強(qiáng)度。當(dāng)添加合金元素Ag時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同的變化。TEM圖像顯示，Ag元素的添加導(dǎo)致合金中形成了一些細(xì)小的化合物相，這些化合物相彌散分布在非晶基體中。這些細(xì)小的化合物相成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，當(dāng)位錯(cuò)在合金中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到這些化合物相需要消耗更多的能量才能繞過(guò)它們，從而增加了合金的變形阻力。在硬度測(cè)試中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙增加使得合金抵抗變形的能力增強(qiáng)，硬度提高；在壓縮和彎曲性能測(cè)試中，同樣由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，合金在承受壓力和彎曲力時(shí)，能夠承受更大的載荷而不發(fā)生變形或斷裂，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都得到了提升。微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷，如空位、位錯(cuò)等，也對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。適量的空位和位錯(cuò)可以作為位錯(cuò)源，在受力時(shí)產(chǎn)生位錯(cuò)增殖，從而提高合金的塑性。但如果缺陷過(guò)多，會(huì)成為裂紋源，降低合金的強(qiáng)度和韌性。在微合金化銅基塊狀非晶中，不同的合金成分和制備工藝會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)中缺陷的數(shù)量和分布不同，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞微合金化銅基塊狀非晶展開(kāi)，在制備方法、力學(xué)性能以及影響力學(xué)性能的因素等方面取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。在制備方法上，系統(tǒng)研究了水淬法、射流成型法、金屬模鑄造、復(fù)合爆炸焊接法、機(jī)械合金化法以及粉末固結(jié)成形法等多種常用制備方法。分析了每種方法的原理、特點(diǎn)及適用范圍，發(fā)現(xiàn)這些方法各有優(yōu)劣。其中，磁懸浮-銅模吸鑄法憑借其能夠有效避免合金污染且有利于非晶態(tài)形成的優(yōu)勢(shì)，被選為本研究的主要制備方法。通過(guò)精確控制原材料準(zhǔn)備、熔煉、吸鑄等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，成功制備出了高質(zhì)量的微合金化銅基塊狀非晶合金試樣。在原材料準(zhǔn)備階段，嚴(yán)格把控原材料的純度和稱(chēng)量精度，確保合金成分的準(zhǔn)確性；熔煉過(guò)程中，精確控制熔煉溫度和時(shí)間，保證合金充分熔化且成分均勻；吸鑄時(shí)，合理調(diào)節(jié)吸鑄系統(tǒng)的真空度和模具溫度，實(shí)現(xiàn)了合金熔體的快速吸鑄和冷卻，為后續(xù)的研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)材料。在力學(xué)性能研究方面，對(duì)微合金化銅基塊狀非晶的硬度、拉伸、壓縮和彎曲性能進(jìn)行了全面測(cè)試與深入分析。硬度測(cè)試結(jié)果表明，添加稀土元素Gd、Nd會(huì)導(dǎo)致非晶合金硬度降低，這是由于Gd、Nd原子半徑較大，在合金中形成置換固溶體，引起晶格畸變，削弱了原子間的鍵合力，使得位錯(cuò)更容易運(yùn)動(dòng)，從而降低了硬度。而添加合金元素Ag則顯著提高了非晶合金的硬度，隨著Ag含量由0增加至4at.%，硬度值Hv由406上升到527，這是因?yàn)锳g元素與其他元素形成的細(xì)小化合物相彌散分布在非晶基體中，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)Ag原子與其他原子之間較強(qiáng)的相互作用也增強(qiáng)了原子間的鍵合力，提高了硬度。拉伸性能測(cè)試顯示，鑄態(tài)啞鈴形Cu50Zr42Al8非晶合金經(jīng)400℃×1h等溫退火后，拉伸強(qiáng)度及塑性均有所提高，斷裂強(qiáng)度及最大應(yīng)變值分別為755MPa和0.80%。這是因?yàn)橥嘶疬^(guò)程使非晶合金內(nèi)部原子發(fā)生弛豫，缺陷得到修復(fù)，原子間排列更加有序，同時(shí)可能析出的細(xì)小第二相粒子阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，起到了強(qiáng)化作用。由單輥甩帶工藝制備的Cu50Zr42Al8非晶薄帶在拉伸過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形，拉伸強(qiáng)度為54