非晶復合材料中析出相對力學性能的影響

肖月華，趙賀永（文山學院化學與工程學院，云南文山663000）

非晶復合材料中析出相對力學性能的影響

肖月華，趙賀永
（文山學院化學與工程學院，云南文山663000）

不同強化相的組織特征不同可能導致材料不同的力學性能.利用高真空電弧爐制備（Cu50Zr50）100-xAlx非晶復合材料，并采用XRD、SEM等對材料進行表征，研究析出相B2-CuZr相的含量及分布狀態(tài)對非晶復合材料壓縮后力學性能的影響.非晶復合材料基體中適量彌散分布的B2-CuZr相可有效提高非晶復合材料的屈服強度和壓縮塑性，直徑3mm的（Cu50Zr50）97Al3屈服強度已達到2 200MPa，并能產(chǎn)生23％的壓縮塑性.這主要是由于非晶復合材料基體中的析出相B2-CuZr相會阻礙剪切帶擴展，使剪切帶分叉成多剪切帶，實現(xiàn)了多剪切帶的相互作用，從而使其具有更大的屈服強度和更顯著的塑性應變.

非晶復合材料；高真空熔煉電弧法；B2-CuZr相；屈服強度；壓縮塑性

Xiao YH,Zhao HY.Effecton Precipitated Phase in Amorphous Compositeson Mechanical Properties[J].Journal of Yib?in University,2015,15（6）：20-23.

非晶合金中不存在晶體合金中常見的位錯、晶界等缺陷，合金變形時亦不會因為位錯運動而產(chǎn)生滑移，因此表現(xiàn)出超高的強度、硬度和彈性、耐磨性等優(yōu)越性能[1-3]，使非晶合金在體育器材方面得到了廣泛應用，如制作高爾夫球頭、網(wǎng)球拍、棒球滑雪板等.另外，非晶合金在壓應力下會發(fā)生剪切斷裂，有很好的自銳性，可成為理想的穿甲彈制作材料.但是，非晶合金的室溫變形方式為非均勻變形，材料在承受較高負荷變形時易發(fā)生災難性脆性斷裂，極大限制了其實際應用.

針對上述問題，科學工作者已做了大量研究工作，主要是通過外加法、原位內生法、應力誘發(fā)法[4]等制備非晶復合材料來提高其室溫塑性.研究結果表明，通過原位內生法制備的非晶復合材料第二相與基體結合較好、界面純凈，表現(xiàn)出較好的力學性能.諸如采用原位內生法來制備CuZr基非晶復合材料，主要是利用CuZr基非晶有著較高的非晶形成能力，可以通過降低冷速析出第二相，得到非晶復合材料.Song等[5-6]利用相變誘導塑性效應（TRIP效應）來提高非晶復合材料的韌塑性，發(fā)現(xiàn)通過成分和冷卻速度的調節(jié)，理論上可獲得單一B2-CuZr相增強的非晶復合材料.但在實際中，B2-CuZr相在快冷過程中容易發(fā)生熱應力誘發(fā)馬氏體轉變，以及CuZr基非晶合金中合金化元素的加入會導致B2-CuZr相在加熱過程中分解為其他化合物.Pauly等[7]采用經(jīng)驗的“三結構模型”將復合材料的結構分成晶體、非晶、非晶+晶體的均勻分布相，理論預測了非晶復合材料的壓縮塑性隨晶體分數(shù)的變化趨勢，此研究為本課題的開展提供了理論支撐.本文以（Cu50Zr50）100-xAlx為研究對象，采用XRD、SEM等對材料進行表征，實驗研究基體中的初生相B2-CuZr相對力學性能的影響.

1　實驗器材

實驗使用純度為99.9％（at％）以上的Cu、Zr、Al等金屬元素，各合金的化學成份為（Cu50Zr50）100-xAlx.先將金屬表面的氧化膜用砂紙打磨除去，再用精度為0.000 1 g的電子天平稱出所需合金組元的質量，倒入丙酮中進行超聲波清洗，以除去合金表面的油污及在配料過程中附在其上的雜質.

實驗設備有高真空熔煉電弧爐（沈陽金屬研究所）、X射線衍射儀（型號為Rigaku D/MAX-RB）、SU?PRA55型場發(fā)射掃描電鏡和液壓控制系統(tǒng)材料試驗機（MTS810）.

2　試驗過程

首先，通過電弧熔煉，銅模水冷吸鑄制得Al含量變化時不同尺寸的非晶態(tài)合金棒；其次，將非晶棒做成XRD試樣進行XRD試驗；然后從不同尺寸的非晶棒上線切割得相同尺寸2mm的非晶棒，進行力學性能測試（為減少實驗誤差，每個力學性能測試重復兩次），測試試樣的長徑比為2∶1.注意用模具將試樣固定后打磨光滑并保證兩個端面的平行度以及與軸線的垂直度.壓縮試樣在進行測試之前進行精心打磨拋光，盡量減少試樣表面因素（如劃痕、凹坑等）對實驗結果造成的影響.力學性能測試是在液壓控制系統(tǒng)材料試驗機（MTS810）上進行的，測試溫度為室溫；壓縮應變速率為2×10-4s-1.利用SUPRA55型場發(fā)射掃描電鏡觀察表面及斷口組織形貌.

3　結果與分析

3.1B2-CuZr相改性非晶復合材料效果分析

如圖1所示，對于（Cu50Zr50）97Al3成分，當吸鑄直徑為2mm時，試樣在2θ=40°附近出現(xiàn)了一個漫散射峰，說明其結構為全非晶，一般認為全非晶室溫脆性很大，力學性能較差[3].當吸鑄直徑為3mm時，試樣在2θ=40°附近出現(xiàn)了一個尖銳的晶化峰，經(jīng)PDF卡片比對確認物相為B2-CuZr相.

圖1　（Cu50Zr50）97Al3試樣的XRD試驗結果

圖2的壓縮試驗測試結果顯示該合金的屈服強度為2 200MPa，塑性為23％左右，其屈服后強度從2 200MPa增加到3 100MPa才斷裂，呈現(xiàn)出一定的加工硬化趨勢[8]，綜合力學性能很好.

圖2?。–u50Zr50）97Al3試樣的室溫壓縮應力－應變曲線

圖3的SEM結果顯示，基體上的析出相是圓形的B2-CuZr相.

而當吸鑄直徑為5mm時，圖1的XRD試驗結果顯示試樣在2θ=40°、2θ=70°、2θ=85°附近出現(xiàn)了尖銳的晶化峰，經(jīng)PDF卡片比對確認物相為B2-CuZr相，在2θ=35°附近出現(xiàn)了Cu10Zr7相，在2θ=45°附近出現(xiàn)了其它相，圖2的壓縮試驗結果顯示其屈服強度很低，僅為400MPa，壓縮塑性也僅為13％左右，力學性能很差，圖3的SEM試驗結果也證實了其基體上出現(xiàn)了很多樹枝晶.說明非晶復合材料基體中單一的B2-CuZr相（未出現(xiàn)其它相）的出現(xiàn)能大大提高屈服強度和壓縮塑性，極大地改善非晶復合材料的力學性能.將圖1的XRD試驗結果、圖2的壓縮試驗測試結果總結如表1所示.

圖3?。–u50Zr50）97A l3試樣的SEM試驗結果

表1?。–u50Zr50）97Al3試樣的力學性能參數(shù)和相組成

3.2B2-CuZr的分布狀態(tài)對力學性能的影響

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)吸鑄直徑為3mm的（Cu50Zr50）96Al4和吸鑄直徑為5mm的（Cu50Zr50）94Al6兩個試樣的相組成均是在非晶基體上出現(xiàn)了單一的B2-CuZr相，沒有其它相出現(xiàn).現(xiàn)在利用掃描電鏡觀察兩試樣橫截面的組織形貌，并與試樣的壓縮力學性能相聯(lián)系，從而揭示析出相B2-CuZr相的分布狀態(tài)與非晶復合材料力學性能的關系.

將圖4的SEM結果和圖5的力學測試結果總結如表2所示：吸鑄直徑為3mm的（Cu50Zr50）96Al4試樣中B2-CuZr相含量相對較少，且成彌散分布，塑性達到了23％左右，并且有一定的加工硬化能力；而直徑為5mm的（Cu50Zr50）94Al6試樣中B2-CuZr相含量較多且粘連在一起，其雖然有較大的加工硬化能力，但屈服強度僅為900MPa，塑性為15％左右.說明在所研究的非晶復合材料體系中，B2-CuZr相的含量并非越多越好，而是應當有一個合適的量，且彌散分布的析出相對力學性能的改善優(yōu)于粘連在一起的析出相.

圖4　SEM試驗結果

圖5　室溫壓縮應力－應變曲線

表2?。–u50Zr50）100-xAlx的力學性能參數(shù)和試樣橫截面的SEM試驗結果

3.3B2-CuZr增強非晶復合材料力學性能的原因

吸鑄直徑為3mm的（Cu50Zr50）96Al4綜合力學性能較好，觀察其壓縮后的斷口形貌如圖6所示：在試樣側面發(fā)現(xiàn)高密度剪切帶，并且單一剪切帶分叉成多剪切帶，發(fā)生了數(shù)量和方向上的改變，這些剪切帶的擴展路徑呈波狀特征.多剪切帶之間間距較小，并相互作用，剪切帶相互作用區(qū)域往往是微裂紋形核區(qū)域.微裂紋的擴展受到了析出相B2-CuZr相的干擾，并被阻止.可以說，微裂紋的形成和擴展受到了析出相B2-CuZr相的干擾和阻礙，因而其屈服強度大大提高，有較大的加工硬化能力，壓縮塑性也明顯改善，綜合力學性能較好.

圖6　直徑為3mm的（Cu50Zr50）96A l4的試樣壓縮斷口形貌

4　結論

（1）非晶基體中單一B2-CuZr相的出現(xiàn)大大改善其力學性能，其中吸鑄直徑為3mm的（Cu50Zr50）97Al3壓縮塑性最大，達到23％，屈服強度也最大，為2 200MPa.

（2）所研究的非晶復合材料體系中，B2-CuZr相的含量并非越多越好，而是應當有一個合適的量，而且彌散分布的析出相對性能的改善要優(yōu)于粘連在一起的析出相.

（3）初步探索非晶基體中單一B2-CuZr相增強其力學性能原因：非晶復合材料基體中彌散分布的初生相B2-CuZr奧氏體相阻礙剪切帶擴展，并且使剪切帶分叉成多剪切帶，實現(xiàn)了多剪切帶的相互作用，阻礙了微裂紋的形成和擴展，從而使該材料具有較高的屈服強度和更顯著的塑性應變，更深層次的原因有待進一步探討.

[1]Lu ZP,BeiH,Wu Y.Oxygen effectson plastic deformation ofa Zrbased bulk metallic glass[J].Applied Physics Letters,2008（92）：161-165.

[2]Eckert J,Das J,Pauly S.Mechanical properties of bulk metallic glasses and composites[J].JournalofMaterials Research,2007（22）：285.

[3]Inoue A,Takeuchi A.Recent development and application prod?uctsofbulk glassy alloys[J].ActaMaterialia,2011（59）：2243-2267.

[4]薛春娥,吳曉.非晶復合材料的研究現(xiàn)狀[C]//材料導報：納米與新材料專輯,2012,26（1）：421-425.

[5]Kozachkov H,Kolodziejska J,JohnsonW L,etal.Effectof cooling rate on the volume fraction of B2 phases in a CuZrAlCo metallic glassmatrix composite[J].Intermetallics,2013（39）：89-93.

[6]Song K K,Pauly S,Zhang Y,etal.Strategy for pinpopinting the for?mation of B2 CuZr inmetastable CuZr-based shaoememory alloys [J].ActaMaterialia,2011（59）：6620-6630.

[7]Pauly S,Bednarcik J,et al.Plastically deformable Cu-Zr interme?tallics[J].ScaiptaMaterilia,2010（63）：336-338.

[8]Zhang ZY,Wu Y,Zhou J,etal.Strongwork-hardening behavior in a Ti based bulk metallic glass composite[J].Scripta Materialia, 2013（69）：73-76.

（編校：李青）

Effecton Precipitated Phase in Amorphous Com positeson Mechanical Properties

XIAOYuehua,ZHAOHeyong
（Chemistry and Engineering College,Wenshan University,Wenshan,Yunnan 663000,China）

Differentstrengthening phase,due to itsorganizational characteristics,will lead to differentmechanical proper?ties.High vacuum electric arc furnace was employed to prepare（Cu50Zr50）100-xAlxamorphous compositematerials,and X-ray diffraction（XRD）and scanning electronmicroscope（SEM）were adopted to characterize the structure-activity rela?tionship.The effectof contentand distribution stateof B2-CuZr phase onmechanical propertiesofamorphous composites after compressionwas investigated in detail.The results show thatmoderate and diffuse distribution of B2-CuZr phase in the amorphousmatrix can effectively improve the yield strength and compression plasticity ofamorphous composites.The （Cu50Zr50）97Al3amorphous compositematerialwith a diameter of 3mm has showed excellentmechanical properties under compression,including high yield strength of 2 200 MPa with plasticity of 23％and significant work-hardening.It is mainly because the primary phase B2-CuZrwhich disperses in the amorphousmatrix could hinder shear band propoga?tion,resulting in mulitiple shear bands and leading to strong interaction between shear bands,which gives rise to high yield strength and large plastic strain.

amorphous composites；high vacuum melting electric arc method；B2-CuZr phase；yield strength；compres?sion plasticity

TG139.8

A

1671-5365（2015）06-0020-04

2014-12-07修回：2015-02-12

云南省教育廳科學研究基金資助項目（2013Y587）；文山學院校級課題（14WSY11）

肖月華（1983-），女，助教，碩士，研究方向為非晶與冶金

網(wǎng)絡出版時間：2015-03-01 10：56網(wǎng)絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150301.1428.003.html

引用格式：肖月華，趙賀永.非晶復合材料中析出相對力學性能的影響[J].宜賓學院學報,2015,15（6）：20-23.