Fe-P-C系非晶合金的形成能力及性能研究

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雅宝题库解析：
本论文开发了具有低成本、高非晶形成能力、优异磁学和力学性能等特点的Fe-P-C系块体非晶合金。论文研究了Fe-P-C系非晶合金的非晶形成能力与热学性能、力学性能与物理性能的关系及合金成分、弛豫和晶化处理对软磁性能的影响。首先，利用非晶合金设计的经验准则，研制了具有高非晶形成能力的Fe-P-C、Fe-P-B-C、Fe-P-B-C-Si和Fe-Al-P-B-C系块体非晶合金。利用铜模铸造法可以制备得到非晶形成临界直径分别达到1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm和3.0 mm的Fe80P11C9、Fe80P9B2C9、Fe80P9B2C8Si1和Fe77Al3P9B2C9（at.%）块体非晶合金。本文基于这些合金的热学性能对其非晶形成能力进行了分析。其次，淬态Fe80P11C9非晶合金饱和磁极化强度为1.37 T，居里温度为573 K；用B元素替代Fe80P11C9非晶合金中的部分P元素大大提高了合金的饱和磁极化强度和居里温度，当B元素含量达到3 at.%时，合金的饱和磁极化强度达到1.50 T，居里温度达到598 K；而用顺磁性的Al元素替代Fe-(P, C, B)合金中的Fe元素，合金的饱和磁极化强度明显降低，例如，Fe77Al3P9B2C9非晶合金的饱和磁极化强度为1.36 T，远低于Fe80P9B2C9合金的1.46 T。弛豫处理能有效改善非晶合金的矫顽力和磁导率等内禀磁性，弛豫退火处理使Fe-P-C、Fe-P-B-C、Fe-P-B-C-Si和Fe-Al-(P, C, B)系非晶合金的矫顽力由原来的7.0-16.5 A/m降低到5.0 A/m以下，有效磁导率（1 kHz）由原来的1100-1800升高到8000以上。进一步的晶化处理可以在Fe-P-C、Fe-P-B-C和Fe-P-B-C-Si非晶合金基体上析出超细尺寸的-Fe纳米颗粒，这些细小-Fe纳米颗粒的析出显著提高了非晶合金的软磁性能。例如，Fe80P11C9非晶纳米晶复合材料的磁极化强度、矫顽力和有效磁导率分别可达到1.49 T、3.8 A/m和11000，Fe80P9B2C9非晶纳米晶复合材料的软磁性能为1.61 T，3.1 A/m和12000。此外，Fe-P-C系块体非晶合金还具有优异的力学性能，其中，直径为1.0 mm的Fe77Al3P9B2C9非晶合金表现出突出的塑性变形能力。40个Fe77Al3P9B2C9非晶合金试样的压缩力学测试结果表明，其平均最高断裂强度为3330 MPa，最大压缩塑性应变达到10.2 %，平均塑性应变为5.2 %，其塑性变形能力在同尺寸的Fe基块体非晶合金中是最高的。该非晶合金的断裂可能性与压缩应力和塑性应变的韦伯分布函数形状因子分别为64.5和4.4，合金发生断裂最大概率压缩应力值和塑性变形量分别为3360 MPa和5.4 %，与实验的平均值接近。该非晶合金表现出的力学性能与合金的弹性模量和玻璃转变温度有关。其中，合金的高压缩塑性与其较低的玻璃转变温度及原子结合力相关，这种关系在Fe基块体非晶合金中具有一定的普遍性。研究表明，Fe基块体非晶合金的压缩塑性变形量随玻璃转变温度的变化存在韧性-脆性的临界转变点，其值约为780 K；当玻璃转变温度大于780 K，Fe基非晶合金塑性变形能力差或为零，而当玻璃转变温度低于780 K时，非晶合金呈现明显的塑性变形行为，压缩塑性随玻璃转变温度的降低而升高。