《相似元素替代對塊體非晶合金力學性能的影響》是依託北京航空航天大學，由李然擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：相似元素替代對塊體非晶合金力學性能的影響
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：李然
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
從相似元素（即具有相近原子尺寸和價電子構型的元素）替代能夠改善Fe基非晶合金玻璃形成能力和力學性能這一現象出發，依照價電子構型特徵，選擇元素周期表中不同區域內的相似元素作為合金基體，即sp區(Mg,Al)、d區 (Fe,Co,Ni)、(Ni,Cu)以及f區(La,Ce)，採用相似相異元素共存的非晶合金組分設計方法構建相對簡單的偽二元或偽三元合金組分，並利用銅模鑄造法製備獲得相應的塊體非晶合金樣品。評估相似元素替代對塊體非晶合金力學性能的影響，建立元素替代量與合金彈性常數、強度、變形以及斷裂行為之間的關係。進一步，利用高能同步輻射和電子能量損失譜的實驗方法並結合計算模擬，定量化研究相似元素替代對非晶合金團簇結構和價電子濃度的影響，從而在原子結構和電子結構的微觀層面上深入探討相似元素替代對其力學性能的影響機制。研究結果將對於開發新型高性能塊體非晶合金具有重要的理論指導意義。
結題摘要
塊體非晶合金是一類具有優異力學性能（如：高強度、高硬度、大彈性極限等）的無序金屬材料，有望作為先進結構材料得以廣泛套用，因此如何對塊體非晶合金的組成及其性能（特別是力學性能）進行設計調控一直本領域的研究熱點。基於項目負責人先期提出的相似相異元素共存的非晶合金組成設計方法，我們研發獲得了5種新型由相異元素組成的三元塊體非晶合金模型體系，即：Co-Ta-B、Fe-P-C、Zr-Fe-Al、La-Al-C和Ho-Al-Co，並系統評估了其組分與玻璃形成、彈性模量以及力學性能的之間的關係，並進一步研究了相似元素替換對其性能的影響，結合實驗測量和計算模擬手段揭示了合金化元素添加和替代對非晶合金性能的影響機制。我們研發獲得了屈服及斷裂強度超過6GPa的Co-Ta-B系塊體非晶合金材料，該材料是目前已知最高強度及比強度的塊體金屬材料；獲得了兼具良好力學性能和軟磁性能的低成本高Fe含量的Fe-P-C系塊體非晶合金材料。此外，在多個體系中驗證了相似相異元素共存的非晶合金設計方法對玻璃形成能力提高的有效性，並揭示了相異元素可以在較大範圍內調節合金的物理特性，如特徵溫度、彈性模量，壓縮力學強度等，而相似元素則可以在一定程度上對基礎三元合金的相關性能進行微調整。本項目的相關結果為研究非晶合金提供了一系列模型材料，並為非晶合金的組分和性能的調控提供了大量實驗基礎和有效手段。在本項目的支持下，在Acta Mater.、Scripta Mater.、Appl. Phys. Lett.等材料領域國際期刊（SCI）上總計發表論文24篇，申請國家發明專利4項，其中1項已獲批。
