（材料加工工程专业论文）锆基及钛基块体非晶态合金的力学行为研究.pdf

摘要 摘要 非晶态合金是合金熔液通过急速冷却得到的一种长程无序的合金 具有高 强度和弹性极限等优点 结构与晶体材料不同 成为材料研究的新热点 随着 进一步深入研究其结构与性能 非晶态合金开始应用到生产和生活中 但是非 晶合金的韧性较差 这在很大程度上减小了其应用领域 本文通过对非晶合金 进行预加载和退火处理 研究其对z r 基非晶合金结构和力性的影响 与临床运 用的生物材料进行对比 分析t i 基非晶合金的力学性能的特点 1 z r 基非晶态合金是综合性能比较好和成形能力比较高的合金成分 z r e s c u l s n i l o a l l o 通过先对合金进行预加载 再进行抗压强韧性测定 并结合 对合金侧面及断面进行电子扫描 s e m 从力性测试数据和微观结构分析力性 变化规律 对比预加载前后非晶合金力学性能的变化 归纳出预加载对合金的 结构和力性影响 另外 经过不同温度和时间的退火 再进行力学测试 结合 微观结构特征 总结退火对非晶结构和力性的影响 发现 非晶退火作用存在 一定的门槛值 在该值前后 非晶结构和力学性能变化比较明显 经研究发现 松弛作用使非晶强度上升 相对应变量下降 弹性模量稍微 增大 剩余应力能够很好地进行数字拟合 松弛应力作用 造成非晶应力分部 不均 结构特性分化 退火对非晶的影响有温度门槛值t k 的存在 随退火温度 升高 非晶合金结构显非线性变化 本文对z r 基非晶经预载荷和退火作用后结 构和力学性能的变化进行分析 为该非晶扩展运用领域有着重大现实意义 同 时为研究非晶 特别是提高非韧性研究提供了一个新研究角度 2 t i 基非晶成分是l t i z r c u p d 2 t i z r c u p d s i 其力学研究 经过 对非晶的力学测定 探索n 基非晶合金作为生物材料 如牙齿材料 的可能性 文章在模拟牙齿受弯曲等外力作用和咀嚼时不同速率抗压作用的基础上 对非 晶进行弯曲强韧性测试和定速率与变速率抗压测定 与传统生物材料相对比 分析非晶材料作为生物材料的优点和力学性能相关的控制因素 并结合宏观和 微观结构特征来分析性能形成的机制 t i 基非晶与常用生物材料相比 强度优 势明显 弹性模量相当 韧性较差 抗弯强度高 总体显现脆性特点 压缩速 率 对非晶力学性能影响明显 这项研究突破了传统生物材料多以晶态合金为 摘要 一一 主的形势 拓展了生物材料选择领域 同时为非晶材料研究提高了运用价值 关键词 块体金属非晶态合金 生物材料 力学性能 三点弯曲 蠕变 应力 松弛 n a b s t r a c t a bs t r a c t a m o r p h o u sa l l o yi sm o l t e na l l o yo b t a i n e db yr a p i dc o o l i n go fal o n g r a n g e d i s o r d e ro ft h ea l l o yw i t hh i 曲s t r e n g t ha n de l a s t i cl i m i t c t c t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f d i f f e r e n tm a t e r i a l s an e wh o ts p o tf o rm a t e r i a l sr e s e a r c h w i t ht h ef u r t h e rs t u d yo f t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa m o r p h o u sa l l o y s w h i c hb e g a nu s i n gt h ep r o d u c tl i f e h o w e v e r t h el o w e rt o u g h n e s so fa m o r p h o u sa l l o y s w h i c hl a r g e l yr e d u c e si t s a p p l i c a t i o n s b a s e do nt h ea m o r p h o u sa l l o ya n n e a l e dp r e l o a da n ds t u d yt h ee f f e c to f z r b a s e da m o r p h o u sa l l o ya n dt h ef o r c eo fi m p a c t a n dc l i n i c a la p p l i c a t i o no f b i o l o g i c a l m a t e r i a l sw e r e c o m p a r e d a n a l y s i s o ft i b a s e d a m o r p h o u sa l l o y m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff e a t u r e s 1 z r b a s e da m o r p h o u sa l l o yi s ab e t t e ro v e r a l l p e r f o r m a n c ea n dh i g h e r c a p a c i t yo ft h ea l l o yf o r m i n ge l e m e n t s z r 6 s c u i s n i l 0 a 1 2 0 b yf i r s tp r e l o a d e do nt h e a l l o y s u c ha sc r e e pa n ds t r e s sr e l a x a t i o n e t c t h e nt h ed e t e r m i n a t i o no fc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s c o m b i n e dw i t ht h e c r o s ss e c t i o no ft h e a l l o ys i d e a n d s c a n n i n ge l e c t r o n s e m f o r c et e s td a t aa n da n a l y t i c a lp o w e ro fm i c r o s t r u c t u r e v a r i a t i o n c o m p a r e db e f o r ea n da f t e rp r e l o a d i n gc h a n g e so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a m o r p h o u sa l l o y s s u m m a r i z e dt h ep r e l o a d e do nt h e s t r u c t u r ea n ds t r e n g t ho ft h e a l l o ye f f e c t s f u r t h e r m o r e a f t e ra n n e a l i n ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt i m e f u r t h e r m e c h a n i c a l t e s t i n g c o m b i n e dw i t hm i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s s u m m a r i z e d a n n e a l i n g o nt h e a m o r p h o u ss t r u c t u r ea n df o r c eo fi m p a c t f o u n d t h er o l eo f a m o r p h o u sa n n e a l i n gt h e r ei sac e r t a i nt h r e s h o l dv a l u e t h ev a l u eb e f o r ea n da f t e rt h e c h a n g eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa m o r p h o u ss t r u c t u r ea n do b v i o u s t h es t u d yf o u n dt h a tr e l a x a t i o no fa m o r p h o u si n t e n s i t yi n c r e a s e d t h es t r a i nr a t e d e c r e a s e d t h ee l a s t i cm o d u l u ss l i g h t l yi n c r e a s e d r e s i d u a ls t r e s sc a nb eag o o df i tf o r d i g i t a l s t r e s sr e l a x a t i o n r e s u l t i n gi nt h eu n e v e nd i v i s i o no fa m o r p h o u ss t r e s s s t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t i a t i o n t h ee f f e c to fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h e a m o r p h o u st h r e s h o l dt ke x i s t e n c e w i t ht h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t h ea m o r p h o u s a l l o yw a sn o n l i n e a rc h a n g e i nt h i sp a p e r z r b a s e da m o r p h o u sa n da n n e a l e db yt h e i i i a b s t r a c t e f f e c to fg r a v i t ya n dm o r ea f t e rt h ec h a n g e si nt h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ea n a l y s i s t h ea m o r p h o u sa r e ao fe x p a n s i o no ft h eu s eo fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et os t u d yt h ea m o r p h o u s i np a r t i c u l a r i m p r o v et h es t u d yp r o v i d e s a n o n d u c t i l en e wr e s e a r c ha n g l e s 2 t i b a s e da m o r p h o u sc o m p o n e n ti s1 t i z r c u p d 2 群t i z r c u p d s i m e c h a n i c a ls t u d y a f t e rd e t e r m i n a t i o no ft h em e c h a n i c a la m o r p h o u s t i b a s e d a m o r p h o u sa l l o y a se x p l o r i n g b i o l o g i c a lm a t e r i a l s s u c h a sd e n t a lm a t e r i a l s p o s s i b i l i t i e s a r t i c l e sb yb e n d i n gt h et e e t hi nas i m u l a t e de x t e r n a lf o r c ea n de f f e c to f c h e w i n ga td i f f e r e n tr a t e sb a s e do nt h ec o m p r e s s i o n b e n d i n gs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s o fa m o r p h o u st e s t i n ga n df i x e dr a t ea n dv a r i a b l er a t eo fc o m p r e s s i o nd e t e r m i n e d t h e r e l a t i v er a t i oo fb i o l o g i c a lm a t e r i a l sw i t ht h et r a d i t i o n a la n a l y s i so fa m o r p h o u s m a t e r i a l sa st h ea d v a n t a g e so fb i o l o g i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s r e l a t e dt o t h ec o n t r o l l i n gf a c t o r s c o m b i n e dw i t ht h em a c r oa n dm i c r os t r u c t u r a l f e a t u r e st oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m t i b a s e d b i o m a t e r i a l s c o m p a r e dw i t ht h eu s u a l o b v i o u sa d v a n t a g e ss t r e n g t h m o d u l u so f e l a s t i c i t yv e r y t o u g h n e s si sp o o r h i g i lb e n d i n gs t r e n g t h t h e o v e r a l ls h o wb r i t t l e c h a r a c t e r i s t i c s c o m p r e s s i o nr a t e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa m o r p h o u so b v i o u s t h es t u d yo fb i o l o g i c a lm a t e r i a lb r e a k st h r o u g ht h et r a d i t i o n a lm u l t i c r y s t a l l i n ea l l o y m a i n l yt ot h es i t u a t i o na n de x p a n dt h ef i e l do fb i o l o g i c a lm a t e r i a ls e l e c t i o n a sw e l la s a m o r p h o u sm a t e r i a l st oi m p r o v et h eu s eo fv a l u e k e yw o r d s b u l km e t a l l i cg l a s s b i o m a t e r i a l m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t h r e e p o i n t sb e n t c r e e p s t r e s sr e l a x a t i o n i v 1 绪论 1 绪论 块体非晶态合金 b u l ka m o r p h o u sa l l o y 是指不具有长程原子有序的合金 l 它是液体在还没有结晶的前提条件下急冷而获得的一种固体 非晶态材料包括 传统的玻璃 高分子聚合物 非晶态半导体和非晶态合金等 非晶态合金和相 应成分的晶态材料相比所具有独特的机械 物理和化学等性能 这引起很多学 者的研究兴趣 1 1 金属非晶态合金的发展历史及研究现状 历史上初次报道成功制出出非晶态合金的是k a m l e r 2 1 于1 9 3 8 年他用蒸发 沉积的方法获得非晶态合金 到1 9 5 0 年 b r e n n e r t 3 等人使用电沉积方式制获得 了n i p 非晶态薄膜 1 9 6 0 年 d u w e z 等 4 1 使用熔体急冷法首先制得了a u s i 非 晶态合金薄带 这标志着非晶态合金研究的开始 国内外众多学者开始研究非 晶态合金这一和晶态合金组织结构完全不同的新型材料 由7 0 到8 0 年代 很 多学者研制出了很多不同体系和种类的非晶态合金 这时获得的非晶态材料三 维尺寸很小 一般为厚度小于o 1 m m 的薄带 细丝或粉末状 这很大程度上限 制非晶态合金的现实应用 5 到了9 0 年代初 i n o u e 等发现了具有极低急冷速率 的多元合金系列 几百k s 以下的冷速 用铜模铸造法制备出了尺寸达到毫米级 以上的大块非晶态合金 其中有p d m g z r f e 以及t i 基等系列 到此推动 了大块非晶态合金的制备1 4 羽 在1 9 9 1 年 i n o u e 小组进一步开发了z r a 1 n i c u 合金系大块非晶态合金 9 1 其中z r 6 s a l 7 s n i i o c u 7 5 合金具有1 2 7 k 的超过冷液相区1 1 0 在1 9 9 3 年 美国p e k e r 和j o h n s o n 9 1 研发出z r t i n i c u b e 合金系大块非晶态合金 并发现了玻璃形成 能力 g f a s i 曼高的z r 4 2 c u l 2 5 n i l o t i l 3 a b e 2 2 5 合金 g f a 接近传统的氧化物玻璃 其临界急冷速率 小于1 k j s o o 1 1 称为v i t r e l o y l 9 1 1 9 9 7 年以后 i n o u e 等人研 究发现 在z r c u a i 合金系中分别加入n i p d t i n b 等元素可获得新的块体 非晶态合金 1 2 1 3 在国内 很多高校和科研单位也积极投入到非晶态合金的研发中 并出现 很多很好的成果 非晶态合金作为一种新兴的材料 其结构和性能不断出现新 的研究成果 l 绪论 1 2 非晶态合金的结构 非晶态合金作为刚性固体 在结构上有别于晶态固体 不存在长程序 没 有周期性 非晶态合金的特征是短程序结构 对非晶态合金结构的实验测定还 有很大程度的局限性 如原子空间排列 精确地获得非晶态合金排列结构现在 还难以测定 人们确认结构模型法是研究非晶合金结构的可行方法 首先由结构性模型 得原子在三维空间的分布排列 然后设定相应的物理参数 最后判断其正确性 在结构性模型中 硬球无规密堆模型 是描述非晶态合金结构的其中一种结构 模型 该模型把金属的原子看作硬质性球 在原子的排列中不存空穴来容纳别 的硬质性球 这就是密堆 一般认为 非晶态合金的结构特征主要表现在以下 几个方面 1 非晶态合金是由液相合金通过急冷或深过冷而获得的 因此其结构和液 相金属很相似 它具有比常规晶态更致密的无序堆积状态 不存在成分偏析 夹杂物和第二相等 1 4 2 块体非晶态合金 只存在小区间内的短程有序 内部原子排序破坏了长 程的周期性和对称性 近邻和次近邻的原子键具备一定的规律性 即形成了一 种有缺陷的有序性 1 4 3 块体非晶态合金是一种亚稳态材料 在非晶相和晶化相之间 室温下存 在着很大的自由焓差 在一定的前提条件下 亚稳的非晶相会向稳定的晶化相 转变 在低温条件下对非晶进行退火 非晶会发生结构弛豫 而在高温下退火会 发生晶化现象 结构弛豫使得块体非晶态合金内部的原子得到一定的排列调整 降低了自由能 材料达到另一种亚稳态结构 1 3 金属非晶态合金制备的方法 获得非晶态合金 最重要的条件是确保合金熔液快速急冷 为此在成形方 式的探索中 得到了很多冶炼和铸造方法 其中心点是怎样使合金熔液尽快地 凝固 另外也有用固态粉末法直接成形 其经验如下几点 1 由液体急冷获得非晶态固体 如用金属模具吸铸 喷铸等 是目前现 实应用较广泛的非晶态合金的制备方式 其中常用的方式如下 2 l 绪论 a 金属模铸造法 是指将液相金属直接浇铸到金属模具 利用金属模 降温快 实现快速急冷而获得金属非晶态合金的方式 b 水淬法 是指将母材料合金置入到封闭石英管中重熔后 再一同石 英管淬入到流动的水里 以实现快急冷而制备出金属非晶态合金的方式 c 差压铸造法 是指以压力将合金熔液快速注入到模具中急冷成型的 方式 d 定向区域熔炼法 电弧炉 包括钨阴极电极和水冷铜炉 用电弧作 为热源 经调控钨阴极电极的运动速率 是生产出较长非晶态合金的方式 此方式的急冷速率足以抑制z r 基合金中的非均匀形核 使其在较大的尺寸 时完全形成非晶相 对薄片 薄带 细丝 粉末等非晶态合金的制备方式总结如1 1 表 归纳出 一些常用制备方法 同时也是生产流程中较为成熟的方法 表1 1 薄片 薄带 细丝 粉末等形状非晶态合金的制备方式表 t a b 1 1t h ep r e p a r a t i o nm e t h o dt a b l eo f t h ea m o r p h o u s a l l o y sp l a n k e d t h i ns h a p e s s u c ha st a p e t h r e a da n dp o w d e r e t c 2 由气相直接凝聚成非晶态固体 即离子镀膜 真空蒸发 溅射 化学 气相沉积等方式 a 溅射法 是通过与高能惰性气体离子碰撞 把原材料中的原子打出来然 后沉积 其沉积固化过程是一个原子接着一个原子排列堆积 增长速率比较缓 慢 在大规模集成电路设计中获得现实应用 此方式获得的非晶薄膜稳定性很 高 b 蒸镀法 是将金属材料在真空下气化 再淀积在冷底板上获得非晶材料 c 化学气相沉积法 c v d 是将反应气体经过加热的衬底 使之在衬底表 面上发生异质反应或者在衬底上方的气流中发生均匀反应 生成物在衬底上沉 积的过程 1 绪论 3 金属非晶态合金粉末挤压法 是将预先制备好的球状金属非晶态合金 粉末 在低于晶化温度下挤压成形的方式 4 晶态材料经过离子注入 辐射 冲击波等方式获得非晶态材料 辐射 法 用激光或电子束辐射金属表面使表面局部熔化 1 4 金属非晶态合金的形成能力 非晶态合金有着长程无序的结构 在某些方面具备优越的性能 这推动了 对非晶态合金成形方式和成分的研究 因此 金属非晶态合金的形成能力是这 个研究过程中必不可少的课题 这为以后不断发现新成分的非晶态合金和性能 良好的非晶态合金打下了基础 这就有必要寻找一个合理的参量来表征合金体 系的玻璃形成能力 g l a s sf o r m i n g a b i l i t y 简称g f a 除了参照过冷液相区宽度 外 国内外学者相继提出了多个定量或半定量的参数来表征非晶态合金的 g f a 1 6 非晶态合金的形成通常满足三个前提条件 一个是热力学条件 即单位体 积吉布斯自由能变化a g t x 尽可能小 另一个是动力学条件 就是指高的急冷速 率足以阻止形核及核的生长 最后一个是结构条件 是影响玻璃形成能力 g f a 的内在因素 到目前为止 有关非晶态合金的玻璃形成能力 g f a 的讨论都是以t u m b u l l 和u n l m a n n 等人发展和完善起来的玻璃形成动力学理论为基础 1 7 1 引 t u m b u l l 认为 液体的急冷速率 晶核密度等是决定物质形成非晶与否的主要因素 若 急冷速率足够快 几乎所有的材料都能形成非晶态固体 1 9 1 根据t u m b u l l 的形核理论 最理想的判断玻璃形成能力 g f a 的方式就是经 过测量 r t 曲线 用1 r r 曲线计算形成非晶态合金所需的临界急冷速率 被 定义为刚好避开 盯曲线鼻尖时的急冷速率 r t l 1 1 f 打 式中 t m 熔化开始温度 t 鼻尖处所对应的温度 鼻尖处所对应的时间 4 1 绪论 煎塑 互 a 液体 b 液体一 喜 l 一 2 c 7 i 7 一少热 澌 一卜学泌一上 r a 液体 r b 液体 图1 1 不同类型液体起始晶化温度和急冷速率在时间 相变 温度图中的关系 f i g 1 1 t h er e l m i o no f s t a r t i n gc r y s t a l l i z i n gt e m p e r a t u r et xa n dc o o l i n gr a t ef o r d i f f e r e n tl i q u i d s i nt h es c h e m a t i ct i m e t e m p e r a t u r e t r a n s f o r m a t i o nc u i v e s 从图1 1 可以看出 b 附 得出b 合金更容易形成非晶合金 非晶 合金态的形成是一个液相和晶化竞争的过程 z p l u 等研究g f a 应该着眼于液 相稳定性和抗晶化能力两方面 他们经过对1 盯 时间 温度 相变 图的研究 提 出了用 t l t g 2 来表征液相稳定性 t t 越低 液相稳定性越好 由于鼻子点处所对应的温度t 和时间 难以直接获得 因而要想用公式 1 1 精确计算出 有困难 因此 i n o u e 2 蚴1 等利用热分析的数据经过下列的经验公 式来计算临界急冷速率 h 置札r 一而静 0 2 式中r 为合金实际急冷速率 t i 为非晶态合金试样加热熔化结束后的温度 t x 为合金开始凝固时的温度 b 为和合金的成分和热分析过程有关的常数 约化玻璃转变温度t 催是表征大块非晶态合金g f a 普遍使用的参数 其定 义为 乇 1 3 k 是基于t u r n b u l l 的非平衡凝固理论 2 3 提出来 当急冷过程中粘度t 1 随温 度下降足够快时 原子没有足够时间来按照相应晶体结构进行重排 最终发生 非晶转变 粘滞系数t 1 可表示为 t 1 1 0 邯e x p 3 3 4 t m t t g 其中t 为体系的温 5 1 绪论 度 若t g t 1 那么 0 月 k 越大 就可以保证h h 也就是样品吸 放 热的热量约等于电功率 补偿量 d s c 曲线横轴是温度或时间 纵轴是热流速率d q d t 显示出当保持样 品的温度等于参比量时 输给功率曲线的放热峰朝下 吸热峰朝上 灵敏度单 位为m j s 典型的非晶态合金d s c 曲线如图2 6 所示 图2 6 非晶态合金的差示扫描量热分析 f i g 2 6t h ed i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e ro f t h ea m o r p h o u sa l l o y s 差示扫描量热可以分析测定样品在出现转变时热量的变化过程 它的热函 变化值a h 和吸或放热峰的面积a 成比例关系 日 k a 2 6 1 9 u口基 奢 咭h宙 2 实验方法和设备 式中k 是校正系数 和样品的测定池的种类 气氛和导热系数相关 a 吸 热 放热 峰的峰面积 k 值可由已知焓的标准物测得的热谱图的峰面积求出 常 见标准物质如表2 1 所示 表2 1 校正测定温度和系数k 的标准物质 t a b 2 1t h es t a n d a r dm a t t e ro ft h ec o r r e c t i o nm e a s u r et e m p e r a t u r ea n dc o e f f i c i e n tk 标准物质熔点 熔化焓 j g o 偶氮苯 3 4 6 9 0 4 硬脂酸6 9 01 9 8 9 菲9 9 31 0 4 7 铟 1 5 6 42 8 6 锡2 3 1 96 0 3 铅3 2 7 42 3 0 锌419 51 0 2 1 铝 6 6 0 3 3 9 7 本文中d s c 测试所用设备是日本s e i k oe x s t a r 6 0 0 0 型高温扫描量热仪 2 4 非晶的形貌分析 扫描电子显微镜是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜中间的微观貌观 察方式 扫描电镜的长处是 1 拥有比较高的放大倍数 从2 0 至f j 3 0 万倍中间可 连续调节 2 有很大的景深度 视野较大 同时成像富有立体感 也可直接观 察到样品表面凹凸不平的细微结构 3 样品制备相对简单 所以 本文用s e m 对非晶合金的侧面和断面进行微观结构观察 为非晶力 性研究提供有力的依据 特别是观察侧面出现的剪切带和微裂纹 断面的分区 结构和断裂花样等 s e m 是不可缺少的研究工具 其工作原理是 由电子枪的阴极射出的直径在2 0 n m 3 0 n m 的电子束 在 阴阳极中间加速电压的作用下 射向镜筒 由经聚光镜和物镜会聚作用下 电 子束缩小成直径约几纳米的电子探针 在物镜上边扫描线圈的控制下 电子探 针在样品表面进行光栅状扫描的同时 激发出很多种电子信号 它们被相应的 检测器测定 途经放大和转换 成为电压信号 最终被送致显像管栅极上 同 时调制显像管的亮度 显像管中电子束 在荧光屏上也进行光栅式扫描 这种 扫描运动和样品表面电子束的扫描动作是严格同步的 所以 可以得到所接收 2 实验方法和设备 信号强度和衬度相对应的扫描电子图像 这种图象反映出了样品表面的基本形 貌特征 扫描电子显微镜构成 由电子光学系统 信号收集处理 图象显示和记录系 统 真空系统构成 扫描电子显微镜 其系统设计从上到下 由电子枪发射电 子束 途经一组磁透镜聚焦聚焦后 用遮蔽孔径选择电子束的尺寸后 通过一 组控制电子束方向的扫描线圈 再经透过物镜聚焦 冲打在样品上 在样品的 上边装有讯号接收器 用以择取二次电子或背向散射电子成像 本文使用p h i l i p s 的q u a n t a 2 0 0 0 型扫描电镜 观察样品断裂表面剪切带及断 口形貌特征和裂纹扩展等情形 2 5 非晶的力性测试 2 5 1 力性测试设备 力学测试所用的是电子式万能试验机 其结构示意图如图2 7 所示 该设备 是材料力性测试很好的研究工具 可以完成材力性的很多测定工作 图2 7 电子万能试验机示意图 f i g 2 7e l e c t r o nu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n es k e t c hm a p 2 l 2 实验方法和设备 三点弯曲和蠕变测试是在德国生产的z w i c l d r o e l l z 0 3 0 电子万能试验机上 进行 仪器精密度等级为0 5 级 试验中力的示值误差在 0 5 以内 位移分辨 率为0 0 1 5 1 a m 压缩和应力松弛测试是在i n s t r o n5 5 8 5 型万能试验机上进行 2 5 2 力性测试方法 2 5 2 1 三点弯曲测试 将万用机的上夹头换成6 0 0 的 v 型压头 下夹头换成带有 凹 型槽的 垫板 在垫板上放入弯曲测试支架 将样品放置在支架上 保证压力点是在样 品的中间位置 压头加载速率为0 5m m m i n 三点弯曲示意图如图2 8 所示 跨距l 定为3 0 m m 6 是压头移动的距离 d 就是样品的直径 定为2 m m f 图2 8 三点弯曲法测试时样品的变形示意图 f i g 2 8t r e ep o i n t sb e n dt e s ts a m p l et r a n s f i g u r a t i o ns k e t c hm a p 挠度的修正 在测试过程中测试仪器本身的弹性变形也不容忽略 必须对 测试结果进行修正 消除测试仪器弹性变形对测试结果的影响 修正方式是检 测出测试仪器的弹性变形f i m 和测试压力f n 中间的关系 f k f r 式中 k 是修正系数 r 是常数 2 5 2 2t i 基非晶压缩测试 定速率压缩测试 2 实验方法和设备 成份 l t i z r c u p d 经线切割 研磨去除端面的晶化层以防止端面在压 力作用下先出现裂纹 而影响非晶合金力性测量真实性 所以为了避免发生此 现象 对试样两个端面用几种型号砂纸进行研磨 端面研磨去除约i m m 使其端 面平整 相互平行 且垂直于轴向 l 拌试样加载速率设定为0 5 m r n m i n 2x1 0 3 s 试样的径高比是l 2 直径是2 m m 长度是4 m m 变速率压缩测试 用i n s t r o n 万能材料试验机测试合金的室温抗压性能 根据国家力学测试的 要求 试样的径高比是l 2 试样经过线切割 两个端面进行研磨去除约l m m 直径是2 m m 长度约4 m m 以确保径高比 试样成份 2 t i z r c u p d s i 加载速率设定为四个级别 由慢到快分别是 试样2 1 0 4 5 9 6 m m m i n 2 1 0 d s 试样2 2 5 2 9 2 m m m i n 2 1 0 2 s 试样2 3 1 0 5 3 6 m m m i n 4 1 0 2 s 试样2 4 2 0 0 1 6 m m m i n 8 1 0 2 s 2 5 2 3z r 基非晶力学松弛测试 力学松弛主要包括蠕变和应力松弛 蠕变 是指在一定的温度和恒定外力作 用下 材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象 应力松弛 是指在恒定温 度和形变保持不变时 材料的内部应力随时间的增加而逐渐衰减的现象 而应 力松弛和蠕变在本质上是一致的 试样是z r 基非晶态合金z r 6 5 c u l 5 n i l o a l l o 直径为2 m m 经线切割 研磨去除 端面的晶化层 对试样两个端面进行研磨 使其端面平整 相互平行 且垂直 于轴向 直径是2 m r n 长度是4 m m 试样的径高比是l 2 力学松弛测试是在 电子万能试验机上进行 压缩应变速率为5 1 0 4 s 一 蠕变实验力的大小是4 5 0 0 n 加载时间是6 h r 应力松弛测试 应变量是2 3 加载时间是4 l l r 2 6 非晶态合金的退火 试样对象是z r 6 5 c u l 5 n i l o a l l o 铸造成形再进行x r d 和d s c 测试确定合金 是非晶态合金 经线切割 研磨去除端面的晶化层 对试样两个端面进行研磨 使其端面平整 相互平行 且垂直于轴向 直径是2 m m 长度是4 m m 试样的 径高比是l 2 将试样放入加工好的 葫芦型 石英管瓶里 插到真空泵橡胶 管中进行抽真空 每个试样用时在1 2 h r 真空度4 1 0 4 p a 当真空度达到该值 2 实验方法和设备 时 在 葫芦 中间较细的位置软化将下半装有试样石英管封闭断开 再放到 电阻炉中退火 退火温度 时间参数如表2 2 所示 表2 2 退火温度 时间表 t a b 2 2a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e t i m el i s t 退火是在k b f l 6 0 0 箱式炉中时行 所用真空泵是j k 1 5 0 b 真空机组 真空 计是z d k l e d 电离真空计 退火完成将试样从封闭的石英管中取出 再进行抗 压测试 2 7z r 基非晶态合金的焊接 扩散焊是指在一定的温度和压力下 被连接表面相互靠近 相互接触 通 过使局部发生微观塑性变形 或通过被连接表面生成的微观液相而扩大被连接 表面的物理接触 而后结合层原子间经过一定时间的相互扩散 形成整体可行 连接的过程 2 7 1 扩散焊接原理 扩散焊是在一定的温度和压力下 经过一定的时间 工件接触界面原子间 相互扩散而实现的可靠连接 扩散焊机制是扩散焊通过界面原子间的相互作用 形成接头 实现连接的基础是原子间的相互扩散 扩散的基本规律 扩散是指相互接触的物质 由热运动而发生的相互渗透 向着物质深度减小的方向进行扩散 粒子在其占有的空间均匀分布 扩散系数d 定义为单位时间内经过一定平面的平均粒子数 d d o e x p a 熹 2 7 f 式中 e 扩散过程的激活能 k j t o o l d 是扩散系数 c m 2 s t 绝对温度 k r 气体常数 d o 指数前系数 从上式可以得出 扩散系数d 随温度的提升而显著增大 原子扩散一般从 高浓度区向着低浓度区进行 对于两个相对理想接触面扩散焊 原子平均扩散 距离可以有如公式2 8 进行估算 2 实验方法和设备 x 4 2 d t 2 8 式中 d 扩散系数 x 扩散原子的平均扩散距离 t 扩散时间 2 7 2 扩散焊接设备 试样有z r 基非晶态合金成分z r 6 5 c u l 5 n i l o a i l o 纯铝棒和n i 棒等 扩散焊是 在真空扩散炉中进行 扩散焊设备主要是由带有真空系统的真空室 对零件的 加热源 对温度和真空度的检测系统以及控制装置构成 如图2 9 所示 一 r i 一 0 一 f f 1 i 真空炉体 控制按钮扩散泵o 控制阀门 机械泵 图2 9 真空扩散焊系统 f i b 2 9t h ev a c u u ms p r e a d ss o l d e r i n gs y s t e m 图2 1 0 真空扩散焊系统 a 真空室 b 真空泵 c 控制系统 f i b 2 10t h ev a c u u ms p r e a d ss o l d e r i n gs y s t e m av a c u u mc h a m b e r bt h ev a c u u mp u m p ct h e c o m m a n ds y s t e m 2 实验方法和设备 真空室 真空室越大 要达到和保持一定的真空度 对所需真空系统要求 越高 真空室中应有由耐高温材料围成的均匀加热区 以保持设定的温度 真 空室外壳需要急冷 真空系统 一般由扩散泵和机械泵构成 机械泵只能达到 1 3 3 1 0 之p a 的真空度 加扩散泵后可以达到1 3 3 1 0 4 1 3 3 1 0 5 p a 的真空度 可以满足所有材料的扩散焊要求 加热系统 一般由感应线圈和高频电源构成 根据不同的加热要求 辐射加热可选用钨 钼或石墨作加热体 经过高温辐射 对工件进行加热 按加热方式分为感应加热 辐射加热 接触加热等 加压工具 自行设计一个加压系统 如图2 1 1 所示 焊接材料 图2 1 1 加压装置 f i g 2 11t h es t r e s se q u i p m e n t 真空扩散焊时间和温度参数如表2 3 所示 表2 3 真空扩散焊时间 温度 t a b 2 3t h ev a c u u md i f f u s i o nw e l d i n gt i m e t e m p e r a t u r ec h a r t 钢板 柱 2 6 3 块体t i 基1 晶态合金力性研究 3 块体t i 基非晶态合金力性研究 3 1 引言 n 合金具备许多优异的性能 如高强度 低密度 耐腐蚀性及良好的生物 相容性等 因而受到了生物医药 化工和航空航天等领域的广泛青睐 临床实 验表明钛及其合金具备优越的机械性能 生物相容性和耐腐蚀性等优点 5 4 l 随 口腔种植学 钛精密铸造技术 焊接 粘结和烤瓷技术的发展 钛及钛合金广 泛地运用到口腔医学领域的各个分支学科 成为一种格外引人注目的生物金属 材料 非晶态合金的特点就包括强度高 耐腐蚀性好等 作为相对新兴的材料 研究方向宽广 本文根据非晶态合金的性能 结合生物材料的要求 设计出n 基非晶合金研究作为生物材料可能性的力学性能 这不仅为生物材料的选择开 辟新的领域 也为非晶合金更广泛地应用到生产生活中有着重要的意义 t i 基非晶合金设计出两种成分1 群t i z r c u p d 和2 群t i z r c u p d s i 这两种 成份最大程度减小了元素的毒性作用 毒性与元素的含量 本身性质和与生物 的分子体结合活性相关 元素与生物大分子结合性与元素和生物体内的氢氧化 物体液相溶性相关 对于非晶来说 非晶微观结构特点是原子短程有序 内部 不存在晶界面 所以内部原子扩散很难进行 加上t i 氧化膜的钝化作用 非晶 合金元素的负作用很难出现 成分中 c u 和s i 元素 作为晶态生物材料不宜多用 是因为它们是b 相共 析元素 在b 中共析反应速率很快 这就改变了材料结构和性能 而非晶合金 不存在晶界相界 不存在b 相 更不会发生共析反应 所以该元素不会影响非 晶结构和性能 降低了元素的活性提高了非晶合金的稳定性 所以以上两种t i 基非晶态合金成份基本消除了不良元素的毒副作用 提高了非晶合金的相容性 和稳定性 3 2 三点弯曲实验 弯曲试验是一种常用力学性能试验方式 用来测量材料在弯曲载荷作用下相 应的力性指标 弯曲测试适用于测量脆性和低塑性材料的强度指标 另外用挠 度来衡量塑性 能明显地体现出脆性或低塑性材料的塑性 3 块体t i 基非品态合金力性研究 试样成份设计有两种 i t i z r c u p d 和2 t i z r c u p d s i 三点弯曲试验的 跨距是3 0 m m 试样长度4 0 m m 由于测量值在一定程度上会受到设备的影响会出现测量误差 三点弯曲的 f f 曲线开始阶段比较平缓 而非晶合金受力发生变形开始是弹性变形 测量曲 线开始阶段正常情况下是直线 所以测量结果需要修正 修正后的曲线如图3 1 所示 弯曲测试中挠度最大的测量位置是试样的中间位置 非晶合金抗弯测试 的测试点选定为中间点 将弯矩m 或f 和挠度f 的关系在直