Gd对Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6)B_(22)合金的非晶形成能力和力学性能的影响

Gd作为优异的中子吸收剂,在中子吸收元素中具有最大的热中子俘获截面。采用铜金属型铸造法研究了Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6-x)Gd_(x)B_(22)(x=2,4,5,6 at.%)合金的非晶形成能力及力学性能。结果表明:当Gd含量为2 at.%和4 at.%时,两种合金的非晶形成能力分别为3 mm和4 mm。进一步提高Gd含量,合金的非晶形成能力低于3 mm。Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(2)Gd_(4)B_(22)合金具有最大的非晶形成能力,其过冷液相区ΔT_(x)、约化玻璃转变温度T_(rg)和非晶形成能力判定参数γ均达到最大值,分别为56 K,0.6673和0.4241。但是Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6-x)Gd_(x)B_(22)(x=2 at.%,4 at.%,5 at.%)非晶合金的抗压强度和显微硬度随Gd含量的增加而降低。

熔体过热度对Zr基非晶合金力学性能和热稳定性的影响

采用吸铸法制备Zr_(70)Cu_(13.5)Ni_(8.5)Al_(8)非晶合金,采用同步差示扫描量热仪(DSC)和万能试验机对非晶合金显微结构进行表征和力学性能测试,并利用XRD和SEM对试样的相组成和剪切带观察。研究发现:随着吸铸功率增加,热稳定性、玻璃形成能力不断提高;Zr_(70)Cu_(13.5)Ni_(8.5)Al_(8)非晶合金的锯齿流变现象越明显,综合力学性能越好,其中吸铸功率8 kW时,试样的屈服强度、抗压强度和塑性达到最值,室温综合力学性能最好,且剪切带分布情况最好,但是继续提高吸铸功率,力学性能反而变差。

Ti和Nb微合金化对CuZr基相变增韧非晶复合材料组织性能的影响

以典型B2相增韧非晶复合材料形成合金Zr_(48)Cu_(48)Al_(4)为基础,分别研究了Ti、Nb微合金化添加对其凝固组织和性能的影响规律。研究发现,与基础合金相比,微合金化显著改变了B2相的组织形貌(包括大小、数量、形状),其中Ti微合金化降低了B2晶体相的形核能力,提高了非晶和非晶复合材料的形成能力;而Nb微合金化则提高了B2相的稳定性,并大幅提高了非晶相与B2相的硬度以及非晶复合材料的强度和压缩塑性(分别达到了1470 MPa和21.5%)。本研究为非晶复合材料的成分设计与制备提供了实验依据,对开发高性能相变增韧非晶复合材料具有参考价值。

阻氢涂层的研究现状及进展

氢具有较高的渗透率,会造成金属材料塑性降低、疲劳裂纹扩展速率加快等氢脆问题,严重阻碍了氢能的产业化发展。为降低氢对材料的渗透率,在金属材料表面制备阻氢涂层是解决金属材料氢损伤问题的重要手段之一。本研究对近年来阻氢涂层研究现状及发展进行归纳与总结,讨论了传统阻氢涂层的特性及优缺点,阐述新型阻氢涂层如石墨烯涂层、金属玻璃涂层等的发展现状。介绍了输纯/掺氢管道阻氢涂层的研究成果,并对阻氢涂层未来发展作了展望。

铋酸盐封接玻璃的研究及其连接应用现状

无铅低温封接玻璃由于具有绿色安全、成本低、封接温度低等优势,被广泛应用于航空航天、电真空、集成电路等领域。在磷酸盐、钒酸盐、硼酸盐和铋酸盐等多种封接玻璃体系中,因铋与铅具有相似的性质特点,使得铋酸盐玻璃成为最有可能替代铅酸盐玻璃的绿色玻璃钎料。综述了铋酸盐玻璃的成分和性能调控、网络结构的研究现状,介绍了目前使用铋酸盐封接玻璃进行金属、陶瓷同质/异质材料连接的研究进展,最后对未来的发展趋势进行了展望。

激光封接金属与玻璃研究进展

玻璃与金属的焊接在微电子封装、真空管及蓝宝石金属窗等多个领域展现出广泛的应用前景。然而,这一技术也面临诸多限制,主要源于玻璃与金属在结构上的差异、连接本质的复杂性,以及润湿、铺展和粘结等复杂物理现象的挑战。激光焊接技术,凭借其高精度、能量集中和加工快速等优势,在玻璃与金属的封接中获得了广泛应用。本文介绍了玻璃与金属焊接的应用领域及其存在的限制,概述了激光焊接金属与玻璃的研究现况,并深入分析了激光参数对焊接质量的影响规律。最后,探讨了激光焊接金属与玻璃的潜在应用,为玻璃与金属复合结构的制造提供创新性的指导思路,同时也为激光焊接技术在该领域的应用提供参考。

超快差示扫描量热数据的俯视法分析

超快差示扫描量热仪是第三代差热分析技术,可以实现最高60000 K/s的超快速加热和最高40000 K/s的超快速冷却,适合对熔点小于1000℃的物质或材料进行速率跨越五个数量级的反复原位升降温测试.该仪器独特的高速率在满足人们观测样品中毫秒尺度上的结构转变需求的同时,也产生大量的数据.本文提出一种“俯视图”的数据分析方法,即将热流投影到温度-速率或温度-时间的平面,然后用颜色衬度代表热流强弱.该方法有效地解决速率或时间在“侧视图”上难以被区分和量化的问题,实现同时观测几个物理现象和比较其动力学行为的目的.本文以一种Au基非晶合金为例,从4篇代表性文献中的“侧视图”上采集数据,重新绘制出“俯视图”,比较两者的优缺点.上述方法具有普适性,适合对任何物质或材料的超快差示扫描量热数据进行分析.不仅如此,“俯视图”也为构建新材料的工艺相图、发现新的结构转变和探索不同物理现象的动力学行为提供支持和帮助.本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00012中访问获取.

Li_(2)O/Na_(2)O对YAS微晶玻璃结构、析晶与力学性能的影响

透明微晶玻璃由于优异的力学性能被广泛应用于电子领域。本文采用熔融法制备了不同质量分数Li_(2)O和Na_(2)O的Y_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(YAS)微晶玻璃,通过Raman、DSC、XRD、FESEM、UV-VIS-NIR等测试方法研究了其结构特征、析晶与力学性能。结果表明:当碱金属氧化物R_(2)O(R=Li,Na)总量保持不变,随着Li_(2)O取代Na_(2)O含量的增加,YAS微晶玻璃的转变温度、软化温度和结晶峰温度逐渐降低,Q^(4)基团对应的含量逐渐减少,说明Li_(2)O作为网络外体使YAS微晶玻璃结构逐步解聚,玻璃的析晶能力逐渐增强。在同一热处理制度下,随着Li_(2)O取代量的增加,YAS微晶玻璃维氏硬度显著提升,而透过率明显下降。在680℃/10 h+750℃/1 h热处理制度下,可以制备出晶体大小一致且分布均匀的以钇稳定氧化锆为主晶相的透明YAS微晶玻璃,此时2%(质量分数,下同)Na_(2)O+4%Li_(2)O YAS微晶玻璃具有良好的综合性能,如维氏硬度为646 HV,断裂韧性为1.07 MPa·m^(1/2),透过率为85.7%,在诸多领域具有巨大的应用潜力。

深冷循环热处理下锆基金属玻璃的回春行为调控

研究Zr_(55)Cu_(30)Ni_(5)Al_(10)(摩尔分数,%)金属玻璃在深冷循环处理过程中的回春行为。实验发现,随着循环次数的增加,样品的回春程度更高,表现为更高的弛豫焓与更低的密度。回春程度经200次循环后逐渐饱和,这可能与非晶结构中有限的自由体积含量有关。同时,高循环次数下的样品硬度更低,塑性更好,这与其剪切转变区体积增大有关。此时,更低的剪切面形成能有利于多重剪切带的形成。此外,还发现自由体积含量与样品塑性应变及剪切转变区体积呈线性关系。分子动力学模拟结果还表明,在高冷速下回春程度高的样品会发生原子体积的饱和。

退火处理对Pt基块体金属玻璃塑性动力学行为的影响

采用退火的热诱导方法向Pt基块体金属玻璃(Pt-BMG)基体内原位引入纳米晶,通过纳米压痕实验,考察了Pt-BMG在铸态和在玻璃转变温度Tg之上(250℃)退火15 min,2 h和6 h的力学性能和塑性动力学行为.研究结果表明,退火时间从15 min增加到6 h时,Pt-BMG的结晶度从34%增加到57%,平均晶粒尺寸从25.6 nm增加到38.3 nm,硬度和折合模量分别从5.66 GPa和133.83 GPa增加到8.65 GPa和182.89 GPa,同时载荷-位移曲线上的锯齿流变行为呈现从可明显观察到不连续的位移突变到比较平滑的变化规律.通过分子动力学模拟进一步证明,随着纳米晶尺寸的增加,剪切转变区的激活与剪切带的成核呈现先促进后抑制、先增加后减小的趋势.这是由于金属玻璃在塑性变形过程中,小尺寸纳米晶会被剪切带所包裹或溶解,促进了金属玻璃塑性变形的形成;而大尺寸纳米晶在承受载荷时,在晶体内部产生了位错和滑移,进一步抑制了剪切带的成核与传播.本文结合纳米压痕实验和分子动力学模拟,从原子尺度上揭示了纳米晶的尺寸影响非晶合金塑性变形的内在机理,为设计理想性能的金属玻璃提供了有效的实验基础与理论支撑.

激光表面处理对工业级锆基块体非晶合金塑性变形能力的影响

目的针对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金受到原材料中杂质元素和制备环境中氧元素的影响,其本征塑性变形能力较差的问题,研究激光表面处理对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金在压缩和拉伸条件下塑性变形能力的影响。方法采用低纯原料制备工业级母合金锭子,利用铜模铸造法在低真空环境下制备工业级非晶合金试样,采用激光法对试样进行表面处理,利用万能试验机对激光处理试样的压缩和拉伸力学性能进行测试。通过X射线衍射仪和电子探针对试样的微观组织结构进行表征,采用扫描电镜对力学测试失效后试样的形貌进行微尺度观察。结果经激光表面处理后影响区的深度约为150μm,在影响区内铜元素的含量有所降低,但依然为非晶结构。在压缩条件下,未经激光表面处理的工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金的塑性应变为0,断裂强度为1534 MPa。经过激光表面处理后,试样具有1%的塑性应变,屈服强度为1337 MPa,断裂强度为1562 MPa。在拉伸条件下,激光表面处理前后工业级块体非晶合金的塑性应变均为0,断裂强度也无明显变化,其平均值为1379 MPa。结论通过激光表面处理在工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态,能够有效促使压缩载荷作用下剪切带的萌生,提高其压缩塑性变形能力。

钆含量对Fe-B-Nb-Gd非晶合金磁学性能和氧化机制的影响规律

研究了Gd含量对(Fe_(73)B_(22)Nb_(5))_(100–x)Gd_(x)(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)合金非晶形成能力、热稳定性和磁学性能的影响规律,并对比分析了非晶氧化机制.通过添加Gd元素,合金的原子尺寸差超过13%,构型熵增大了30%,提升了合金的非晶形成能力.随着Gd含量的增大,过冷液相区范围达到73 K,热稳定性得到明显增强.Gd元素导致合金局部各向异性受到限制,准位错偶极子型缺陷密度降低.这有效减少了阻碍磁畴壁旋转的钉扎位点,提高合金软磁性能.此外,Gd元素使得非晶在氧化过程中对温度的变化更为敏感,达到最大氧化速率的温度降低了15 K,但是并未恶化其抗氧化性能.Gd原子受结合能影响向表层迁移,形成的富Gd氧化物填充了表层缺陷,占据了大量顶部空间,合金表面附近的结构更加致密.这种结构减少了氧原子通过微观组织界面进行扩散的通道,有助于增强抗氧化性能.

基于融合策略的块体金属玻璃形成能力预测

提出一种融合策略来提高随机森林(RF)、k近邻(KNN)、梯度提升决策树(GBDT)和极端梯度提升(XGBoost)模型预测块体金属玻璃(BMGs)形成能力(GFA)的准确性。该策略使用训练好的卷积神经网络(CNN)模型提取来特征向量,且合金的成分信息是唯一的输入变量,不需要通过实验获得其他物理和化学特性。此外,通过网格搜索方法和k折交叉验证对RF、KNN、GBDT和XGBoost模型的超参数进行了优化。结果表明,本文作者提出的4种融合模型CNN-RF、CNN-KNN、CNN-GBDT和CNN-XGBoost比上述4种机器学习模型(即RF、KNN、GBDT和XGBoost模型)预测精度更高,这表明训练好的CNN模型比人工特征提取更为高效。此外,与已报道的机器学习模型和GFA判据相比,本文作者提出的融合模型可以更精准地预测金属玻璃的形成能力。

Wf/Zr基复合材料长杆弹在不同速度下的头形转变规律

目的预测金属玻璃复合材料长杆弹在不同撞击速度下的侵彻/穿甲性能,为优化弹体撞击速度和弹体头部形状等提供理论指导。方法结合相关侵彻试验,基于细观有限元建模及修正的热力耦合本构模型,开展了钨纤维增强金属玻璃复合材料长杆弹在不同速度下侵彻钢靶的有限元模拟,分析了不同速度下复合材料弹体破坏模式的差异,讨论了撞击速度对复合材料弹体头部形状变化影响规律及其内在机理。结果低速撞击条件下,复合材料长杆弹体头部的钨纤维发生剧烈的屈曲弯折变形,弯折钨纤维堆积在头部,形成较厚的“边缘层”,且存在1~2条剪切带,弹体头部表现为“细长尖卵”形状;随着撞击速度逐渐增加,弹体头部钨纤维的弯折变形程度逐渐有所降低,“边缘层”厚度也有所减小,且外侧钨纤维开始发生屈曲回流,头形逐渐转变为“短粗尖卵”形状,且尖锐程度随撞击速度增加而降低;在高速撞击条件下,弹体头部“边缘层”显著变薄,同时最外侧钨纤维发生屈曲回流,弹体头部表现为“扁平”形状。结论撞击速度对复合材料弹体的头部变形及破坏特征具有重要影响。随着速度增加,复合材料弹体头部形状逐渐从“细长尖卵”转变到“短粗尖卵”,最后变为“扁平”。

NiNb金属玻璃原子结构和力学性能的分子动力学研究

采用分子动力学模拟的方法,对不同成分的NiNb合金进行原子结构和力学性能方面的研究。通过对降温过程中玻璃转变温度的变化和高温熔体混合焓、混合熵的变化对比发现,在成分点c_(Ni)=0.65前后,合金表现出截然不同的变化趋势。同时利用双体分布函数,配位数,Warren-Cowley参数,键对分析,准近邻原子等方法对NiNb合金进行原子结构相关分析,发现在c_(Ni)=0.65前后,部分结构参数也表现出不同趋势,说明在此成分点前后,NiNb金属玻璃在原子结构上差异较大。综合热力学和结构参数的变化,c_(Ni)=0.65可能是两个合金体系的分界点,c_(Ni)=0.65之前为Nb基,c_(Ni)=0.65之后为Ni基。最后对力学性能进行了模拟,发现力学性能的表现主要和不同成分下NiNb之间的结合方式相关。此项研究有利于加深对金属玻璃原子结构和力学性能的理解。

设计制备具有优异形成能力和磁热效应的GdHoErCoNiAl高熵非晶合金

通过对Gd,Ho和Er进行元素替换,成功设计制备出临界尺寸为2 mm的Gd_(20+2x)Ho_(20-x)Er_(20-x)Co_(20)Ni_(10)Al_(10)(x=0,5,10)块体高熵非晶合金体系,系统研究了稀土元素种类和含量对高熵非晶合金的微观结构、热力学性能和磁热性能的影响及调控机理.研究结果表明,随着Ho和Er逐步被Gd取代,体系的热稳定性略有下降,其中,玻璃转变温度T_(g)和初始晶化温度T_(x)逐渐降低.与此同时,液相线温度T_(1)升高,导致玻璃形成能力的热力学判据,如约化玻璃转变温度T_(rg),γ和γ_(m)降低.X射线和高分辨透射电子显微镜的结果分析表明,随着Gd含量的增大,体系的有序度减小,有利于非晶相的生成.另一方面,随着Gd元素的加入,磁热性能参量如居里温度T_(c)、峰值磁熵变(|△S_(M)_(pk)|)和相对制冷能力(relative cooling power,RCP)均逐渐升高,其中Gd_(40)Ho_(10)Er_(10)CoNiAl的|△S_(M)_(pk)|和RCP最大,分别为8.31 J/(kg·K)和740.82 J/kg.研究结果表明,稀土基高熵非晶合金体系的磁热效应包括RCP,T_(c)和|△S_(M)_(pk)|主要依赖于de Gennes因子,与材料内部的有效磁矩并无直接关系,而热力学性能主要受到4f电子引起的f-d杂化效应影响,随着4f电子数的增加非晶合金体系的热稳定逐步增加.综上所述,我们可以借助稀土元素替换进行成分优选,通过调控4f电子数获得具有较高热稳定性且Tc可调的稀土基非晶合金磁热材料.

利用不锈钢渣制备微晶玻璃的研究进展

工业的快速发展导致固体废弃物逐年增加,由其带来的环境与资源问题不容忽视。利用工业固体废弃物制备微晶玻璃材料是固废资源化利用的重要途径之一,同时,该方法还可实现有害重金属元素的固化,减少环境危害。本文基于不锈钢渣的来源与特性,对比分析了不锈钢渣无害化处理的常见方法。针对不锈钢渣的无害化处理和资源化利用问题,重点综述了利用不锈钢渣制备微晶玻璃过程中主要成分对材料结构与性能的影响;另外,基于微晶玻璃对重金属元素的固化研究现状,重点讨论了微晶玻璃对不锈钢渣中Cr、Ni、Mn重金属元素的固化;最后对不锈钢渣无害化处理与资源化利用的未来研究方向进行了展望。

非晶合金结构演变影响玻璃形成能力的分子动力学研究

通过分子动力学方法模拟了Ti_(75)Al_(25)、Ni_(50)Zr_(50)和Cu_(50)Zr_(50)非晶合金的玻璃转变过程,得到并分析了平均原子体积和双体分布函数等结构参数,并应用Voronoi多面体指数分析法统计了玻璃转变过程中二十面体及类二十面体团簇的数量,通过分析团簇在玻璃转变过程中种类和数量的涨落趋势,研究了非晶原子由短程序连接至中程序再至长程无序的动力学演化过程.结果表明,非晶合金的玻璃形成能力以及塑性变形能力与动力学演化过程中Voronoi团簇的种类和数量密切相关.在玻璃转变过程中局部五次对称性高的团簇倾向于连接在一起形成链,从而密排整个空间,降低系统的动力学行为从而提高玻璃形成能力.塑性形变倾向于发生在局部五次对称性较低的区域.在玻璃转变温度附近团簇种类和数量的突变反映出非晶合金的自组织临界行为,蕴含着丰富的非线性动力学现象.

掺银硫系玻璃光电探测器响应波长特性研究

由于硫系玻璃具有良好的光学性质,在非线性光学等方面研究广泛,但基于硫系玻璃光电探测器的相关研究却很少。本文利用真空共热蒸发技术制备了不同掺银比例的硫系玻璃薄膜作为半导体膜层结构,并设计构建了金属-绝缘体-半导体结构的自供电光电探测器,探究了该光电探测器的响应光谱范围。结果表明,该探测器对可见光到近红外区域的光均有响应。针对掺银硫系玻璃光电探测器在635 nm波长激光下,研究了探测器响应电压与激发功率之间的关系。当激光功率小于10 mW时,探测器响应电压与激发功率线性相关;当激光功率大于10 mW时,探测器响应电压逐渐饱和。探测器的上升和衰减时间分别为3.932 s和1.522 s。本研究为硫系玻璃材料在自供电光电探测器领域的应用提供了证明。

微量氮元素添加对Zr基非晶合金力学性能影响的研究

采用铜模吸铸法,成功地制备了直径3 mm的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)非晶合金棒材。利用氮氧分析仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、万能试验机、显微硬度计和扫描电镜等手段,系统地研究了氮含量对(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)非晶合金的力学性能的影响。同时,对氮元素添加时非晶合金体系的剪切带与断口形貌进行了分析讨论。结果表明:不同氮含量的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)合金中,氮含量(原子百分数)分别为0.08%、0.49%、1.18%、1.48%、1.73%;在添加微量氮元素前后,块体合金(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)均呈现完全非晶结构;原始Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)非晶合金的显微硬度值为478.62 HV,添加氮元素后显微硬度随氮含量增加而递增,显微硬度最高为519.16 HV;添加氮元素前,Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)合金的抗压强度为1738 MPa、塑性形变量为2.1%;当x=0.5时,抗压强度降至1719 MPa、塑性形变量降至1.0%;当x≥1.0时,抗压强度持续下降且塑性较差。