塊體非晶合金的制備及物理性能驗證

謝秋慧　李曉

摘 要：黨的十八大及十八屆三中全會以來，節(jié)能降耗、綠色發(fā)展已成為全社會的共識。作為一種全新的低能耗、高效率的合金材料--非晶合金材料越來越受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注，該材料作為一種強(qiáng)度高、耗能低的新型材料，其優(yōu)異的化學(xué)及物理性能使之在各行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。目前，對于塊體非晶合金的制備工藝、脆性問題、塑性變形能力改善途徑、韌化等方面的研究也越來越深入。文章希望從進(jìn)口塊體非晶合金的制備及物理性能研究驗證出發(fā)，為今后更準(zhǔn)確地把關(guān)該進(jìn)口商品的質(zhì)量、建立對該進(jìn)口金屬更有效的檢驗機(jī)制提供參考。

關(guān)鍵詞：進(jìn)口塊體非晶合金；制備工藝；脆性問題

黨的十八大及十八屆三中全會以來，節(jié)能降耗、綠色發(fā)展已成為全社會的共識，作為一種全新的低能耗、高效率的合金材料——非晶體合金材料越來越受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注，越來越多制造企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)學(xué)院已不斷進(jìn)口塊體非晶合金用來研究和生產(chǎn)加工，因為不存在晶界及第二相，也沒有差排等晶體內(nèi)部微觀缺陷，所以塊體非晶合金擁有獨(dú)樹一幟的化學(xué)和物理性能。塊體非晶合金的強(qiáng)抵抗形變能力、極高的塑性變形抗力，良好的耐磨損耐腐蝕能力，使其作為新型結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行大量應(yīng)用有了極強(qiáng)的潛力。文章旨在從自我制備塊體非晶合金的方式以及研究驗證其物理性能角度出發(fā)，為今后更準(zhǔn)確地把關(guān)該進(jìn)口商品的質(zhì)量、建立對該進(jìn)口金屬更有效的檢驗機(jī)制提供參考。

1 Zr基塊體非晶合金的制備

非晶結(jié)構(gòu)金屬首次被人知曉是在1934年，來自德國的科學(xué)家Kramer制備了Sn非晶合金。1960年人類第一次出現(xiàn)了采用人工合成的非晶合金，美國的Duwez教授用比正常工藝過程中快得多的冷卻速度制備出了Au2Si非晶合金。1984年，Turnbull等人利用采用熔融玻璃包裹合金熔液，獲得了合金熔液深過冷狀態(tài)，鑄造出了厚度達(dá)10毫米的Pd40Ni20P10塊體非晶。1993年，美國加州理工學(xué)院研究小組發(fā)現(xiàn)了至今為止成型能力最佳的鋯-鈦-銅-鎳-鈹非晶合金，他們利用高速冷卻的方式，制備了直徑達(dá)100mm的塊體非晶合金。上述研究說明應(yīng)用常規(guī)鑄造理論和系統(tǒng)知識生產(chǎn)制備某些特定的塊體非晶合金已不是阻礙，但是由于凝固過程發(fā)生轉(zhuǎn)變最小冷速限制，所能生產(chǎn)出的塊體非晶最大厚度仍是被制約的，而且形態(tài)選擇面極小，而作為結(jié)構(gòu)材料，需要在真實(shí)使用過程中具有多種不同形態(tài)和厚度，因而目前的直接鑄造法與真實(shí)狀態(tài)下需要的生產(chǎn)制備要求仍有極大差距。由于Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5具有很高的非晶形成能力，因此在此次實(shí)驗制備中我們使用銅模吸鑄法，以鋯基非晶為研究對象，采用的實(shí)驗設(shè)備是WK FD-1200真空電弧熔煉爐。作為摻雜劑的母合金選取高純金屬提煉制成，在整個坩鍋底部是低熔點(diǎn)金屬，而上側(cè)置放高熔點(diǎn)金屬，為了避免低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)和外濺。我們將真空控制在6.0×10-3Pa以上的高壓狀態(tài)下，隨后充滿約300Pa的高純度氬氣用來作為保護(hù)氣，以防熔煉的合金在由下而上地吸入型腔過程中發(fā)生氧化情況。我們待合金元素達(dá)到完全均勻后，在重復(fù)同樣的熔煉四次，最后將用一只水冷薄壁銅模作結(jié)晶器，把它的下端浸入到合金液中，形成有一定規(guī)格和形狀的塊體材料。

2 塊體非晶合金的物理性能驗證

2.1 Zr基塊體非晶合金的脆性問題驗證

脆性問題一直是塊體非晶全面應(yīng)用的最大阻力，即使塊體非晶斷裂強(qiáng)度幾乎達(dá)到2 GPa左右，但是其在斷裂前一瞬間的宏觀塑形變形僅有0.2%，如圖1。

從圖1中我們可以觀察到，它在斷裂前的變形可以說全部為可恢復(fù)的彈性變形，其應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎到達(dá)直線。每次當(dāng)應(yīng)力到達(dá)屈服強(qiáng)度位置，往往還未表現(xiàn)出顯著的塑性變形，便發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。所以說如何能保持Zr基塊體非晶高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，又不斷強(qiáng)化合金塑性，完成非晶合金的強(qiáng)韌化，是其將來成為全面推廣應(yīng)用的首要任務(wù)，也是我們今后檢驗其優(yōu)劣的關(guān)鍵項。

2.2 Zr基塊體非晶合金的彈性模量驗證

彈性模量是敘述固體材料抵抗變形能力的一個重要指標(biāo)。在塊體非晶合金中，由于成分不同，彈性模量也會產(chǎn)生較大的區(qū)別。總體看來，鎂基非晶合金的彈性模量與鎂合金的彈性模量比較接近，而作為貴金屬的鈀基和鋯基非晶合金的彈模與鋁合金的彈性模量較相似。鐵基非晶合金的彈性模量高于鈦合金，和鋼鐵材料的彈性模量有所雷同。塊體非晶合金的彈性模量值相對于晶體合金要顯得低，但其在外力作用下可恢復(fù)的最大彈性應(yīng)變量εe很大，要達(dá)到2.2%。此外，塊體非晶合金的彈性極限值σe非常高， 貼近屈服強(qiáng)度值。因此我們可以看到，塊體非晶合金具有很高的吸收彈性變形功的能力。而鋯基塊體非晶合金的應(yīng)變比能為19.0MJ/m2，其彈性比功要超出性能最好的彈簧鋼近八倍以上。

2.3 Zr基塊體非晶合金的沖擊斷裂強(qiáng)度與斷裂能驗證

圖2所示為本次采用銅模鑄造法生產(chǎn)的Zr基非晶合金板的擺錘沖擊載荷O位移曲線，最大沖擊斷裂應(yīng)力分別估算為1615MPa，最大沖擊斷裂能為63kJ/m2。整個測試說明鋯基非晶合金抵抗沖擊性能斷裂的強(qiáng)度與材料本身的鑄造有極其緊密的聯(lián)系。用高壓作用快速填充的鋯基塊體非晶合金，在被沖壓的情況下其開裂能量會大大提高。我們發(fā)現(xiàn)，塊體非晶斷面微觀形貌由兩種奇妙的圖案組成，分別是脈紋狀形貌和韌窩微觀形貌，既有別于其他合金具備的貝殼狀形貌，也沒有高強(qiáng)度鋼較為常見的“類解理”小平面。

2.4 驗證外部條件對塊體非晶物理性能的作用

從大量文獻(xiàn)中我們可以得知，現(xiàn)有針對外部條件對塊體非晶合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，主要集中在三種環(huán)境：大氣、去離子水、0.5mol/L的NaCl溶液。本次我們也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗驗證，分別采用大氣、水和海水。試驗結(jié)果表明，塊體非晶合金在水中單位時間內(nèi)的疲勞裂紋增量比在空氣中有所增加。而我們采用了類似0.5mol/L的NaCl溶液摩爾質(zhì)量的海水進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)塊體非晶合金疲勞裂紋強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，高出一般大氣2-3個數(shù)量級。本次我們還分別在大氣、水和海水中測試了不同的外部條件對疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的變化，我們利用利用原位觀察技術(shù)，分別在大氣、水和海水中，精確捕捉獲得材料裂紋擴(kuò)展門檻值依次為1.4、1.2和0.8MPa·m1/2，屬于逐級降低。

3 結(jié)束語

作為一種新型進(jìn)口材料，塊體非晶合金優(yōu)良的化學(xué)及物理性能讓其未來在各方面的應(yīng)用中具有極大潛力，譬如航空航天領(lǐng)域、軍事戰(zhàn)事領(lǐng)域、精密機(jī)械領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、體育器材和高敏導(dǎo)磁器材等。但是，對于進(jìn)口塊體非晶態(tài)合金物理性能的研究還遠(yuǎn)不成熟， 基礎(chǔ)相對薄弱，缺少一個系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)或定義來規(guī)范該材料的力學(xué)性能塑變過程，特別是現(xiàn)有理論難于解釋不同化學(xué)成分的塊體非晶合金表現(xiàn)出不同的機(jī)械性能，如不同的彈性、不同的塑性應(yīng)變能力和加工硬化行為等，即便是對某一具體特性的剖析也還只是淺談輒止，尚無系統(tǒng)全面的觀點(diǎn)形成，這不但阻礙了對塊體非晶合金材料結(jié)構(gòu)性服役行為的分析和判定，也影響了我們對該進(jìn)口合金材料的力學(xué)性能檢測。對作為將來具體極大潛力的塊體非晶態(tài)合金性能的研究，我們認(rèn)為應(yīng)該是今后的主流主導(dǎo)，因此我們可以預(yù)言，大量全新的塊體非晶態(tài)合金物理性能研究，將帶來新材料帶來一次史詩般的變革，而對于該材料的物理性能檢測研究也將伴隨我們走過未來漫長的道路。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：謝秋慧（1962，2-），男，浙江紹興，現(xiàn)職稱：上海檢驗檢疫局黨組成員、浦江出入境檢驗檢疫局局長，學(xué)歷：碩士，研究方向：管理。