高徑比對(duì)Zr基非晶合金壓縮性能的影響

吳　爭(zhēng),張　波,王繼杰

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

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高徑比對(duì)Zr基非晶合金壓縮性能的影響

吳爭(zhēng),張波,王繼杰

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

采用銅模澆鑄法制備了ZrTiNiCuBe非晶合金并系統(tǒng)研究了高徑比的變化對(duì)該非晶合金準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，樣品高徑比減小時(shí)，Zr基非晶合金的抗壓強(qiáng)度隨之增大。高徑比小于或等于1時(shí)，非晶合金的塑性應(yīng)變明顯增大；高徑比為0.5，塑性應(yīng)變達(dá)30%時(shí)，樣品仍未斷裂。掃描電鏡觀察顯示小高徑比的樣品側(cè)表面剪切帶數(shù)量明顯增多。

Zr基非晶；高徑比；壓縮強(qiáng)度；塑性應(yīng)變；剪切帶

非晶合金是一種無(wú)原子三維周期性排列的金屬或合金固體，原子排列呈現(xiàn)長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的特點(diǎn)。非晶合金獨(dú)特的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其變形和斷裂機(jī)制與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金不同[1-3]。近年來(lái)，有關(guān)非晶合金變形機(jī)制的研究已經(jīng)引起了大量科研工作者的關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，非晶合金的塑性變形局限在很窄范圍的剪切帶內(nèi)，剪切帶的快速擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致樣品的突然斷裂。但是大量研究結(jié)果表明，在軸向載荷(壓縮載荷或拉伸載荷)下，非晶合金的剪切斷裂并不沿最大剪切應(yīng)力面，部分非晶合金在壓縮載荷下而表現(xiàn)出一定的塑性變形能力，這是由于非晶試樣中產(chǎn)生了剪切帶[1,3]。因此，剪切帶是怎樣形成和擴(kuò)展以及如何控制非晶合金的塑性變形就成為研究者探索的問(wèn)題。Conner[4]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄非晶條帶在彎曲載荷下能夠經(jīng)歷一定的塑性變形而不斷裂，但是厚非晶合金板卻會(huì)發(fā)生突然的斷裂。Lewandowski[5]研究結(jié)果表明流體靜壓力對(duì)Zr基非晶合金的塑性流變以及斷裂行為均有一定程度的影響，非晶合金在有限制的情況下呈現(xiàn)出超過(guò)10%的塑性變形能力。Bruck[6]等研究了高徑比分別為1∶2和2∶1的非晶合金樣品的壓縮性能，結(jié)果表明小高徑比的樣品屈服強(qiáng)度略高且壓縮塑性明顯增大，這說(shuō)明非晶合金的塑性與樣品的幾何尺寸以及加載模式密切相關(guān)。Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金是目前非晶形成能力較強(qiáng)、應(yīng)用前景較好的非晶態(tài)合金之一，如果該合金在高徑比較小的情況下可以承受一定的變形而不發(fā)生斷裂，那么就有望拓寬該合金的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，本文通過(guò)制備不同高徑比的壓縮試樣，詳細(xì)研究了高徑比的變化對(duì)ZrTiNiCuBe非晶合金壓縮性能的影響。

1　研究方法

Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5母合金通過(guò)電弧熔煉制備。具體過(guò)程為：選用純度不低于99.8 wt.%的Zr、Ti、Cu、Ni、Be純金屬，各種純金屬所需的質(zhì)量按原子百分比配制。將純金屬切割成小塊，去除表面的氧化皮，用精密天平(Sartorius BS 223S,Max 220 g,Min 0.001 g)精確稱(chēng)量各金屬的質(zhì)量。將配制好的各種金屬經(jīng)過(guò)清洗干燥后均勻混合置于電弧爐坩堝內(nèi)，將工作腔抽至較高的真空度，而后充入高純氬氣作為保護(hù)氣體。為進(jìn)一步降低電弧爐爐腔內(nèi)的含氧量，在熔煉合金前，先將預(yù)置于爐內(nèi)的吸收鈦合金錠熔化。為保證合金錠成分盡可能均勻，每個(gè)合金錠至少翻轉(zhuǎn)熔煉4次，然后用銅模澆注法將母合金澆鑄成直徑為5 mm的合金棒。應(yīng)用線切割設(shè)備制備壓縮試樣，切完后需將試樣端面磨平，試樣尺寸分別為Φ5×10 mm、Φ5×7.5 mm、Φ5×5 mm和Φ5×2.5 mm，對(duì)應(yīng)的高度和直徑的比值(高徑比)分別為2、1.5、1和0.5。采用日本理學(xué)D/max-2500PC型 X射線衍射儀(Cu-Kα 輻射，波長(zhǎng)λ=1.540 56 nm)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。采用Instron5582型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)4種樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變速率為10-4s-1。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每組樣品做3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值。采用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡來(lái)觀察變形或斷裂后樣品的側(cè)表面和斷口形貌。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為銅模澆鑄的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲線，由圖1可以看出，所制備的ZrTiNiCuBe合金的衍射曲線沒(méi)有與晶態(tài)材料的明銳衍射峰相對(duì)應(yīng)，而表現(xiàn)為典型的代表非晶態(tài)的漫散射峰，這說(shuō)明所制備的合金棒為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖1　銅模澆鑄的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲線

對(duì)4種高徑比的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金壓縮樣品進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。高徑比分別為2、1.5和1時(shí)，3種樣品的抗壓強(qiáng)度分別為1 923 MPa、1 930 MPa和2 026 MPa，抗壓強(qiáng)度略有增大。而當(dāng)高徑比為0.5，塑性應(yīng)變達(dá)到30%時(shí)，樣品仍然沒(méi)有斷裂，因此沒(méi)有得到這種壓縮樣品的抗壓強(qiáng)度。但從圖2中可以明顯看出，小高徑比樣品的抗壓強(qiáng)度明顯增大。當(dāng)高徑比為2和1.5時(shí)，Zr基非晶的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈性變形后直接斷裂的特征，幾乎沒(méi)有塑性變形；而當(dāng)高徑比減小到1時(shí)，Zr基非晶的壓縮變形由彈性變形后直接斷裂向塑性變形轉(zhuǎn)變，塑性變形為3%；隨著高徑比減小到0.5時(shí)，Zr基非晶的塑性應(yīng)變明顯增大，壓縮載荷下，塑性應(yīng)變大于30%?？梢?jiàn)，高徑比的改變顯著影響Zr基非晶的壓縮性能。

圖3為不同高徑比的Zr基非晶樣品在壓縮載荷下破壞或變形后的宏觀形貌。由圖3明顯可見(jiàn)，當(dāng)高徑比大于等于1時(shí)，Zr基非晶的斷裂方式均為剪切斷裂；高徑比為2、1.5和1時(shí)，剪切斷裂角分別為34°、40°和30°;而當(dāng)高徑比為0.5時(shí)，樣品經(jīng)歷較大塑性變形后仍然沒(méi)有發(fā)生斷裂。壓縮載荷下，與加載軸向成45°方向的剪切應(yīng)力最大。但是大量的研究結(jié)果表明，絕大多數(shù)非晶合金在壓縮載荷下的剪切斷裂角均小于45°，而在拉伸載荷下的斷裂角則大于45°[1,3]，這是因?yàn)榧羟袛嗔巡粌H依賴(lài)于剪切面上的剪切應(yīng)力，剪切面上的正應(yīng)力也起到一定的作用。非晶合金與晶態(tài)合金相比具有相對(duì)較高的斷裂強(qiáng)度，因而其斷裂瞬間剪切斷裂面具有較高的法向應(yīng)力，而過(guò)高的法向應(yīng)力會(huì)影響非晶合金剪切斷裂面的取向[3,7]。在拉伸載荷下，法向應(yīng)力會(huì)促進(jìn)材料的剪切斷裂，使剪切斷裂面與軸向夾角偏向大于45°的方向。而在壓縮載荷下，法向應(yīng)力則會(huì)抑制非晶合金的剪切斷裂，使剪切斷裂面與軸向

夾角偏向小于45°的方向。本實(shí)驗(yàn)中，Zr基非晶合金在壓縮載荷下斷裂后的剪切斷裂角均小于45°，可見(jiàn)Zr基非晶合金的破壞方式符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

圖2　高徑比分別為2、1.5、1和0.5時(shí)Zr基非晶的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3　不同高徑比時(shí)Zr基非晶壓縮變形后的宏觀形貌

圖4為樣品斷裂后的側(cè)表面剪切帶形貌圖。圖4(a)、(b)和(c)中箭頭所指為剪切帶，圖4(d)中剪切帶數(shù)量較多且較為明顯，因此沒(méi)有標(biāo)出?？梢?jiàn)當(dāng)樣品高徑比為2和1.5時(shí)，Zr基非晶變形后側(cè)表面的剪切帶數(shù)量非常少；隨著高徑比減小為1時(shí)，樣品側(cè)表面剪切帶數(shù)量明顯增多且出現(xiàn)彎曲和分叉的現(xiàn)象；當(dāng)高徑比減小到0.5時(shí)，樣品側(cè)表面的剪切帶數(shù)量和密度均明顯增加，且大部分剪切帶的方向均偏離了45°方向，樣品端部靠近壓頭一側(cè)尤為明顯，出現(xiàn)了大量近似垂直于加載軸向的剪切帶。由于非晶獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使之不能像晶態(tài)材料一樣通過(guò)位錯(cuò)產(chǎn)生塑性變形，只能通過(guò)剪切帶變形。而剪切帶數(shù)量的多少和剪切帶之間交互作用的程度往往決定著非晶材料的變形能力，剪切帶越多、密度越大，則塑形變形能力越強(qiáng)；相反，剪切帶越少則塑形變形能力越差[6,8-9]。本實(shí)驗(yàn)中，隨著樣品高徑比的減小，變形后樣品側(cè)表面的剪切帶數(shù)量和密度均明顯增大，且剪切帶的交互作用明顯增強(qiáng)，這些現(xiàn)象均預(yù)示著樣品的塑性變形能力也會(huì)隨著高徑比的減小而增強(qiáng)，也就是說(shuō)Zr基非晶的塑性應(yīng)變應(yīng)隨高徑比的減小而增大，這恰好與壓縮實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果(如圖2所示)相符。

圖4　不同高徑比時(shí)Zr基非晶壓縮變形后的側(cè)表面的剪切帶形貌

圖5　不同高徑比時(shí)Zr基非晶合金壓斷后的斷口形貌

圖5為高徑比分別為2和1時(shí)Zr基非晶合金試樣壓斷后的斷口形貌。可見(jiàn)該非晶合金壓斷后的斷口形貌以脈紋狀花樣為主，具有明顯的熔化特征。斷口上所呈現(xiàn)的這種類(lèi)似于液體的特征形貌是由剪切帶內(nèi)的剪切軟化造成的。一些研究者認(rèn)為這種軟化是由于局部放熱而產(chǎn)生的，局部溫升從0.1 K到幾千K不等[10-12]。也有一些研究者認(rèn)為這是由于剪切帶內(nèi)的結(jié)構(gòu)演變?cè)斐傻腫10]，而研究者普遍認(rèn)可斷裂面上脈紋花樣以及熔滴是由于剪切帶內(nèi)粘度降低而形成的觀點(diǎn)[13]。Yang等人[14]應(yīng)用紅外線成像估測(cè)剪切帶內(nèi)的溫升在650～1 200 K范圍內(nèi)。Lewandowski和Greer[15]通過(guò)對(duì)表面鍍錫的非晶合金試樣進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣表面覆蓋的薄錫層發(fā)生了熔化，而熔化發(fā)生在靠近剪切帶的位置，這證明了試樣的剪切斷裂所引起的表面溫升超過(guò)了金屬錫的熔點(diǎn)(200 K)。通過(guò)對(duì)非晶合金樣品壓縮斷口的觀察，作者認(rèn)為Zr基非晶合金壓縮剪切斷裂后斷口形貌的特征是由于剪切帶內(nèi)結(jié)構(gòu)演變的同時(shí)彈性勢(shì)能在斷裂瞬間釋放使斷口附近溫度升高而形成的。

由以上結(jié)果可以看出，高徑比的改變顯著影響ZrTiNiCuBe非晶合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能。隨著高徑比的減小，ZrTiNiCuBe非晶合金的強(qiáng)度和塑形均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，高徑比越小，其增大幅度越大。目前被普遍接受的非晶合金的微觀變形機(jī)制為剪切變形區(qū)內(nèi)原子團(tuán)簇的重排，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，剪切變形區(qū)的尺寸大概為50～500 nm[16]，因此，高徑比的變化應(yīng)該不會(huì)影響非晶合金的微觀變形機(jī)制，那么造成如上尺寸效應(yīng)的主要原因可能取決于加載方式。壓縮載荷下，壓縮樣品端部在壓縮過(guò)程中受壓頭摩擦力的影響較大，使得樣品端部存在一個(gè)自端部向中心逐漸減小的徑向壓縮應(yīng)力，這種徑向壓縮應(yīng)力的存在改變了樣品端部的應(yīng)力狀態(tài)，使其處于類(lèi)似于雙向壓應(yīng)力的受力狀態(tài)。隨著高徑比的減小，樣品處于雙向壓應(yīng)力作用范圍的比例也會(huì)隨之增大。高徑比較大時(shí)，樣品中部不受徑向壓縮應(yīng)力的影響，剪切帶可以貫穿整個(gè)樣品使得樣品發(fā)生剪切斷裂，因此此時(shí)復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性變化不是十分明顯。而當(dāng)高徑比小于等于1時(shí)，徑向壓縮應(yīng)力幾乎影響整個(gè)樣品，如果主剪切帶沿與加載軸向成45°方向生成并沿此方向擴(kuò)展，那么由于徑向壓縮應(yīng)力的存在必然會(huì)使主剪切帶的擴(kuò)展受阻，并促使多剪切帶的生成，因此合金的塑形和強(qiáng)度均會(huì)隨之升高。

3　結(jié)論

(1)通過(guò)銅模鑄造法成功制備了Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金，XRD結(jié)果表明所制備的合金為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu);

(2)對(duì)不同高徑比的Zr基非晶樣品進(jìn)行了壓縮性能測(cè)試，結(jié)果表明隨著高徑比的減小Zr基非晶的抗壓強(qiáng)度和塑性應(yīng)變隨之增大，造成這種結(jié)果的原因?yàn)閴侯^與樣品之間產(chǎn)生的徑向壓縮應(yīng)力;

(3)Zr基非晶的斷裂方式為剪切斷裂，剪切角均小于45°。隨高徑比的減小，樣片側(cè)表面剪切帶數(shù)量和密度均增大，交互作用增強(qiáng)，這也是材料塑性應(yīng)變?cè)黾拥脑?；不同高徑比的樣品壓斷后斷口的形貌?lèi)似，均為典型的脈紋狀花樣。

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(責(zé)任編輯：吳萍英文審校：劉興民)

Effect of aspect ratio on the compressive performances of Zr-based bulk metallic glass

WU Zheng,ZHANG Bo,WANG Ji-jie

College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The ZrTiNiCuBe alloy was prepared by copper mold casting.And the effect of aspect ratio on the compressive properties was investigated systematically.The results show that the compressive strength and the plastic strain of the Zr based metallic glass increase with the decrease of aspect ratio.The plastic strain is noticeably improved when the aspect ratio is smaller than or equal to 1.The plastic strain is higher than 30% when aspect ratio is 0.5.The number of the shear bands on the lateral surface of sample increases with the decrease of aspect ratio.Typical vein-like patterns and fusion phenomenon were observed on the fracture surface by SEM.

Zr-bassed metallic glass;aspect ratio;compressive strength;plastic strain;shear band

2095-1248(2016)03-0058-05

2015-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51401131)

吳爭(zhēng)(1989-)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向：非晶合金及其復(fù)合材料，E-mail：brainwz@126.com；王繼杰(1965-)，男，河南南陽(yáng)人，教授，博士，主要研究方向：輕合金及其加工技術(shù)，E-mail：wangjijie@sau.edu.cn。

TB331

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.009