Cu48Zr48Al4非晶復合材料的組織與拉伸性能

梁維中,　康志杰

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022)

?

Cu48Zr48Al4非晶復合材料的組織與拉伸性能

梁維中,康志杰

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022)

為探究非晶復合材料的組織及性能,采用銅模滴鑄法制備了直徑分別為2、3和4 mm的 Cu48Zr48Al4非晶復合材料棒材。應用金相顯微鏡進行顯微組織觀察,使用X射線衍射儀分析相組成,利用差熱掃描量熱儀進行晶化程度分析。通過萬能拉伸試驗機作拉伸實驗,繪制應力-應變曲線,使用掃描電鏡觀察斷口形貌,進行力學性能分析。結(jié)果表明:冷卻速率影響Cu48Zr48Al4非晶復合材料的顯微組織形貌和拉伸性能。直徑2 mm Cu48Zr48Al4非晶復合材料組織非晶程度最大;直徑3 mm Cu48Zr48Al4非晶復合材料斷裂強度比直徑4 mm樣品大,其斷口表面呈現(xiàn)樹枝狀脈絡特征,樣品側(cè)表面存在較少的剪切帶,屬于剪切斷裂;直徑4 mm Cu48Zr48Al4非晶復合材料斷口出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu),樣品側(cè)表面剪切帶不明顯,呈現(xiàn)脆性斷裂特征。該結(jié)果可以為控制冷卻速率實際生產(chǎn)CuZrAl非晶復合材料提供理論依據(jù)。

非晶復合材料; 冷卻速率; 顯微組織形貌; 拉伸性能

0　引　言

塊體非晶合金具有良好的物理、化學和機械性能[1-3]。但由于室溫脆性和應變軟化的特點[4],使其作為一種理想的工程材料受到嚴重限制[5]。CuZrAl非晶合金體系具有高強度、高玻璃形成能力和一定的可塑性[6],通過控制液體冷卻速度原位生成納米或微米結(jié)晶相是制備其復合材料的一種重要手段。最近, LIU等[7]在CuZr基非晶基體中原位生成了B2-CuZr,通過適當?shù)睦鋮s速度,B2-CuZr的奧氏體相結(jié)構(gòu)被保留在非晶基體中。在變形過程中,可以形變誘發(fā)B2-CuZr相轉(zhuǎn)變?yōu)锽′19-CuZr馬氏體結(jié)構(gòu),從而提高其塑性變形能力和加工硬化能力[8-10]?；诖?筆者在電流250 A制備條件下,通過改變冷卻速度,研制三種不同直徑的Cu48Zr48Al4非晶復合材料。分析不同直徑的非晶復合材料的顯微組織特征,探索其拉伸性能。

1　實驗材料與方法

采用銅模滴鑄方法制備Cu48Zr48Al4非晶復合材料。在高真空鎢極電弧熔煉爐中,使用控制電流250 A。將純度為99.9%的Cu、Zr、Al三種金屬元素按原子百分比在Ti吸氣的Ar氣氛中熔合成母錠,再采用電磁攪拌方法將合金錠重熔四次以確保成分均勻。在Ar氣保護下,將反復重熔的合金錠注入直徑為2、3和4 mm的銅模中,制備出不同直徑的Cu48Zr48Al4非晶復合材料棒材。將不同直徑的棒材,通過線切割加工,得到狗骨形片狀拉伸試樣,尺寸為10 mm×1 mm×1 mm。加工過程中,控制加工速度和冷卻條件,避免出現(xiàn)晶化現(xiàn)象。將拉伸試樣依次采用37、15、10、4 μm的砂紙精磨,直到表面光亮如鏡。采用高氯酸和冰醋酸體積比1∶4電解液進行三次電解拋光,徹底去除試樣表面劃痕。拋光時電壓控制為22.2 V,同時采用液氮進行冷卻。

樣品的顯微組織形貌采用Axio Oberver A1m型金相顯微鏡(OM)觀察;相組成采用D8 ADVANCE型X射線衍射分析儀(XRD)表征,其特征波長λ=1.540 5×10-10m,使用Cu-K輻射;采用Pyris-1型(DSC)分析儀進行差示掃描量熱分析;采用載荷傳感器為20 kN的Instron5569萬能拉伸試驗機作拉伸實驗,預加80 N載荷,加載速率為0.069 mm/min;斷口形貌采用HELIOS NanoLab600i掃描電鏡(SEM)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織

2.1.1形貌觀察

圖1a～c分別是直徑為2、3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料橫截面的光學顯微組織形貌。由圖1a所示,Cu48Zr48Al4非晶復合材料表面微觀組織的非晶基體中球形晶體相析出較少,晶體相大部分分布在樣品中間部位,邊緣沒有出現(xiàn),除個別晶體相尺寸較大外,其他晶體相尺寸大小相似且分布較均勻;與之相比,圖1b所示的3 mm Cu48Zr48Al4非晶復合材料非晶基體的中間部位中分布大量晶體相,晶體相明顯長大且團聚比較嚴重,邊緣出現(xiàn)較少的晶體相;與兩圖相比,圖1c所示的4 mm Cu48Zr48Al4非晶復合材料樣品晶化較嚴重,除了邊緣出現(xiàn)明顯的非晶帶外,其他部位由于晶體相的團聚及長大形成大片晶化區(qū)。說明隨著冷卻速率降低,Cu48Zr48Al4非晶復合材料的晶化程度增加。

圖1　不同直徑的顯微組織形貌

2.1.2XRD分析

圖2所示為直徑為3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料XRD圖譜。由圖2可知,直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料不僅存在微弱的尖銳晶化峰特征,還出現(xiàn)非晶特征的漫散峰,并伴隨著B2-CuZr晶體相的出現(xiàn);直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料則只存在尖銳的晶化峰特征,晶體析出相為B2-CuZr和Al2Zr;XRD結(jié)果表明,隨著冷卻速率的降低,Cu48Zr48Al4非晶復合材料析出B2-CuZr晶體相和Al2Zr晶體相數(shù)量越多,樣品的晶化程度越明顯。

圖2　不同直徑的XRD圖譜

2.1.3DSC分析

圖3為直徑為2、3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料在20 K/min速率下升溫的DSC曲線。由圖3可以看出,三種非晶復合材料樣品均存在正常玻璃轉(zhuǎn)換過程及放熱的晶化特征,其中直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料對應的放熱峰較小。放熱峰的存在說明Cu48Zr48Al4合金體系為非晶復合材料,其大小說明直徑2 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料中所含非晶成分最大,4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料中所含非晶成分最小。

圖3　不同直徑的DSC曲線

2.2拉伸性能

圖4為直徑為3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料的室溫拉伸實驗的真實應力-應變曲線。如圖4所示,直徑為3 mm的Cu48-xZr48Al4非晶復合材料的斷裂強度為711 MPa,只存在彈性變形,沒有發(fā)生明顯的塑性變形;直徑為4 mm的Cu48-xZr48Al4非晶復合材料的斷裂強度為571 MPa,同樣在彈性變形階段就直接斷裂,沒有發(fā)生塑性變形。由此可知,隨著冷卻速率的降低,Cu48Zr48Al4非晶復合材料的斷裂強度明顯降低,沒有出現(xiàn)明顯拉伸塑性。表明冷卻速率對Cu48Zr48Al4非晶復合材料的拉伸力學性能影響較大。

圖4　不同直徑應力-應變拉伸曲線

Fig. 4Stress-strain tensile curves with different diameters

2.3拉伸斷口形貌

圖5為直徑3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料的拉伸樣品斷口掃描圖像,其中圖5a為側(cè)面宏觀形貌,圖5b為側(cè)面局部放大形貌,圖5c為拉伸斷裂表面放大形貌。如圖5a所示,加載方向和剪切方向的夾角為72o,樣品呈典型的剪切斷裂特征,進一步放大圖5a白色箭頭所指區(qū)域見圖5b,可以看到少量水平方向的剪切帶,如圖5b白色箭頭所示;圖5c可以看出,斷口表面呈樹枝脈狀條紋,脈狀條紋局部存在一些熔融液滴。這可能是樣品斷裂瞬間局部能量集中,由于溫度過高導致樣品表面局部軟化或流動造成的。

圖6為直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料的拉伸樣品斷口掃描圖像,圖6a可以看出,試樣斷裂面較平整,體現(xiàn)脆性斷裂特征。在樣品局部側(cè)表面發(fā)現(xiàn)B2-CuZr晶體相周圍存在細小剪切帶,剪切帶在晶界處中斷,如圖6b白色虛線圓和白色箭頭1所示,還有一些明顯的裂紋且多呈沿晶擴展,如圖6b白色箭頭2所示。圖6c所示的斷裂局部表面呈現(xiàn)一些塑坑,脈絡條紋不是很明顯,出現(xiàn)大的B2-CuZr晶體相,如圖白色箭頭所示。

圖5　Cu48Zr48Al4室溫拉伸斷口形貌

Fig. 5Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

在室溫拉伸實驗中,直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料的斷裂方式為剪切斷裂,加載方向和剪切方向的夾角為72°,符合合莫爾-庫倫定律[11],樣品側(cè)表面上形成較明顯剪切帶,拉伸過程中剪應力起主要作用;直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料的斷裂方式為脆性斷裂,樣品側(cè)表面上形成剪切帶數(shù)量較少,呈現(xiàn)少量裂紋,拉伸過程中正切力起主要作用。

直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料,拉伸斷口表面發(fā)現(xiàn)樹枝狀脈絡條紋;直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料,出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)。斷口形貌的不同,說明樣品制備過程中冷卻速率對同一成分樣品的顯微結(jié)構(gòu)影響很大。

圖6　Cu48Zr48Al4室溫拉伸斷口形貌

Fig. 6Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

3　結(jié)　論

(1)直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料中晶體析出相為B2-CuZr。直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料中晶體析出相為B2-CuZr與Al2Zr晶體相。冷卻速率降低,促進了B2-CuZr與Al2Zr晶體相的形成,使基體晶化越嚴重。

(2)冷卻速率改變了非晶復合材料的拉伸斷裂強度。直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料斷裂強度為711 MPa,直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料斷裂強度為571 MPa,非晶復合材料沒有發(fā)生塑性變形。

(3)直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料發(fā)生剪切斷裂,斷口呈樹枝狀脈絡特征,直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復合材料發(fā)生脆性斷裂,斷口出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)形貌。

[1]WU F F, CHAN K C, CHEN S H, et al. ZrCu-based bulk metallic composites with large strain-hardening capability[J]. Materials Science and Engineering：A, 2015, 636: 502-506.

[2]ZHANG Y Y, LIN X, WANG L L, et al. Microstructural analysis of Zr55Cu30Al10Ni5bulk metallic glasses by laser surface remelting and laser solid forming[J]. Intermetallics, 2015, 66: 22-30.

[3]DENG L, ZHOU B W, YANG H S, et al. Roles of minor rare-earth elements addition in formation and properties of Cu-Zr-Al bulk metallic glasses[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632: 429-434.

[4]WU Y, WANG H, LIU X J, et al. Designing bulk metallic glass composites with enhanced formability and plasticity[J]. Journal of Materials Science Technology, 2014, 30(6): 566-575.

[5]WEI R, CHANG Y, LI Y F, et al. Effect of lateral pre-compression on the compressive behavior of a CuZr-based bulk metallic glass composite containing B2-CuZr phase[J]. Materials Science & Engineering: A, 2013, 587: 233-239.

[6]KUO C N, HUANG J C, DU X H, et al. Comparison of mechanical response in CuZrAl-V and CuZrAl-Co bulk metallic glass composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 586(S1): S14-S19.

[7]LIU Z Q, LI R, LIU G, et al. Microstructural tailoring and improvement of mechanical properties in CuZr-based bulk metallic glass composites[J]. Acta Materialia, 2012, 60(6/7): 3128-3139.

[8]ZHOU D Q, WU Y, WANG H, et al. Alloying effects on mechanical properties of the Cu-Zr-Al bulk metallic glass composites[J]. Computational Materials Science, 2013, 79: 187-192.

[9]DING J F, LIU Z Q, WANG H, et al. Large-sized CuZr-based bulk metallic glass composite with enhanced mechanical properties[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2014, 30(6): 590-594.

[10]ZHU S L, XIE G Q, WANG H, et al. Zr-based bulk metallic glass composite with in situ precipitated nanocrystals[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 586: 155-158.

[11]ZHANG Z F, HE G, ECKERT J, et al. Fracture mechanisms in bulk metallic glassy materials[J]. Physicall Review Letters, 2003, 91(4): 045504.

(編輯徐巖)

Effect of cooling rate on microstructure and tensile properties of bulk metallic glass composites

LIANGWeizhong,KANGZhijie

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is an effort to investigate the microstructure and properties of amorphous composite materials. This investigation does so by preparing Cu48Zr48Al4amorphous composite rods with diameters of 2, 3 and 4 mm by using copper casting; observing their microstructures by optical microscope, analyzing the phase composition by X-ray diffraction(XRD), and checking the crystallization degree by Differential Scanning Calorimetry(DSC); performing the mechanical tests on the universal tensile machine, and analyzing the properties by plotting the stress-strain curves and observing the fracture morphologies by SEM. The results show that the cooling rate exerts an effect on the microstructure and tensile properties of Cu48Zr48Al4amorphous composites; the microstructure of Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameter of 2 mm presents the largest degree of amorphous feature; the Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameters of 3 mm exhibits a greater fracture strength than that of the diameter of 4 mm, and a dendritic structure occurring on the fracture surface, and a few shear bands, known as shear fracture mode, observed on the side surface of the sample; and the Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameter of 4 mm exhibits a large number of dimple structures, and shear bands of brittle fracture mode found not obvious on the side surface of the sample. The results may provide a theoretical basis for practical production of CuZrAl amorphous composite by controlling cooling rates.

bulk metallic glass composite; cooling rate; microstructure; tensile properties

2015-08-14

梁維中(1966-),女,遼寧省朝陽人,教授,博士,研究方向:非晶合金的斷裂行為,E-mail:wzliang1966@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.008

TG139.8

2095-7262(2015)05-0501-05

A