添加微量金屬元素對非晶合金性能的影響探討

劉捷

摘 要：本研究以（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy的力學(xué)性能與玻璃形成能力當作考察指標，主要對添加微量金屬元素影響非晶合金性能的相關(guān)機制進行分析與探討。研究表明，微量金屬元素的添加能夠在很大程度上影響著非晶合金的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：金屬元素；非晶合金；壓縮塑性；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.030

非晶合金原子排列長程無序、短程有序，并沒有晶界、位錯等不足，其物理、力學(xué)以及化學(xué)性能與晶態(tài)合金相比更為優(yōu)越，具體表現(xiàn)為高硬度、高強度、軟磁性以及耐腐蝕性等。但是，非晶合金應(yīng)變軟化與室溫脆性能力比較差，由此就限制了該材料用于結(jié)構(gòu)材料的范圍[1]。本研究以（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy的力學(xué)性能與玻璃形成能力當作考察指標，主要對添加微量金屬元素影響非晶合金性能的相關(guān)機制進行分析與探討。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

該實驗的研究對象為（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy，y表示元素質(zhì)量百分比，99.9%的金屬純度，M表示Ga、Fe以及Sn。所用實驗設(shè)備包括液壓控制系統(tǒng)試驗機、高真空熔煉電弧爐以及X射線衍射儀。

1.2 方法

首先，通過高真空熔煉電弧爐對非晶合金進行制備。先根據(jù)（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy內(nèi)不同元素百分比對各金屬進行配料，精確所稱取元素質(zhì)量至0.0001g，再講配料置于電弧爐，電弧熔煉獲得母合金，在熔煉過程中，通過鈦錠對母合金被氧化與否進行檢驗，為保證母合金有著均勻的成分，必須熔煉超過3次；其次，通過X射線衍射儀監(jiān)測所得物質(zhì)成分，對添加微量元素影響非晶合金的相關(guān)機制進行研究，先處理非晶棒表面，制成XRD樣品，再選擇CU靶Ka掃描，掃描角度為20～80°，依照衍射峰PDF卡明確物相，若掃描譜圖呈現(xiàn)彌散峰，而且不存在晶化峰，那么此合金屬于非晶態(tài)，如果晶化峰比較尖銳，則需要對其物相成分進行再次確認[2]；再次，為降低實驗誤差率，需要重復(fù)兩次實驗。從尺寸不同非晶棒中切割尺寸相同的非晶棒，力學(xué)性能長徑比保證在2：1，再通過模具打磨固定試樣，確保兩端面平衡度。測試壓縮試樣之前，需要進一步打磨拋光，以降低試樣表面因素影響實驗結(jié)果的程度。

2 實驗結(jié)果

摻雜其它微量元素一方面可對非晶合金非晶形成能力產(chǎn)生顯著影響，另一方面也能夠?qū)е路蔷Ш辖鹆W(xué)性能發(fā)生變化。所以，基于現(xiàn)有體系，加入其它微量元素對其影響非晶合金力學(xué)性能的相關(guān)機制進行考察。采用（Cu50Zr50）96Al4與（Cu50Zr50）94Al6，并加入Ti與Fe等微量元素，對微量元素對合金力學(xué)性能產(chǎn)生的影響進行考察。從表1可以看出，將1%Fe與0.5%Fe分別加入在3mm直徑的（Cu50Zr50）96Al4合金內(nèi)部，會直接降低合金的斷裂強度與屈服強度，特別是塑性，從最初的23%降低到大約7%。而將2%Ti與1%Ti加入在3mm直徑的（Cu50Zr50）96Al4合金內(nèi)部，則會降低合金的力學(xué)性能，特別是合金壓縮塑性，該情況可能和合金結(jié)構(gòu)屬于全非晶存在相關(guān)性。所以，加入微量的Ti與Fe會導(dǎo)致（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金力學(xué)性能的下降。

從圖1與表2中可以看出，相對（Cu50Zr50）96-yAl6My非晶合金系而言，吸鑄直徑在5mm的情況下，將0.5%的Fe添加進去后，會在某種程度上提升本合金塑性，而且會明顯提升合金屈服強度，該情況可能與B2-CuZr含量減少相關(guān)，但是在加入2%Ti、1%Ti與1%Fe等微量元素后，盡管提升了非晶合金的屈服強度，然而，其加工硬化能力與塑性功能卻比較差。

總而言之，將微量的金屬元素添加在非晶合金（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy內(nèi)，在x=4時，添加微量元素Ti與Fe會導(dǎo)致合金力學(xué)性能的下降，不管是壓縮塑性或者是屈服強度均有所降低。在x=6時，添加0.5%Fe會使合金屈服強度得到很大程度的提升，也相應(yīng)提升了合金的壓縮塑性，而在加入定量Ti與1%Fe之后，盡管非晶合金屈服強度有所提升，但是卻具有較差的塑性，所以其綜合力學(xué)性能得到很大程度的下降。

3 總結(jié)

總而言之，將微量金屬元素添加在（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy內(nèi)，能夠在很大程度上改變非晶合金的力學(xué)性能，將1%Fe與0.5%Fe分別加入在3mm直徑的（Cu50Zr50）96Al4合金內(nèi)部，會直接降低合金的斷裂強度與屈服強度，特別是塑性，從最初的23%降低到大約7%。而將2%Ti與1%Ti加入在3mm直徑的（Cu50Zr50）96Al4合金內(nèi)部，則會降低合金的力學(xué)性能，特別是合金壓縮塑性，該情況可能和合金結(jié)構(gòu)屬于全非晶存在相關(guān)性。吸鑄直徑在5mm的情況下，將0.5%的Fe添加進去后，會在某種程度上提升本合金塑性，而且會明顯提升合金屈服強度，加入2%Ti、1%Ti與1%Fe等微量元素后，盡管提升了非晶合金的屈服強度，然而，其加工硬化能力與塑性功能卻比較差。綜上所述，微量金屬元素的添加能夠在很大程度上影響著非晶合金的力學(xué)性能。

參考文獻：

[1]吳霖，李山東.微量Mn元素對La62Al14Cu24塊體非晶合金形成能力的影響[J].金屬功能材料，2010，17（02）：5-7.

[2]涂建新.生物醫(yī)用可降解鎂基大塊非晶合金的制備及其表面微弧氧化改性[D].深圳大學(xué)，2017.