梁維中,　康志杰

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料的組織與拉伸性能

梁維中,康志杰

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為探究非晶復(fù)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(fù)合材料棒材。應(yīng)用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察,使用X射線(xiàn)衍射儀分析相組成,利用差熱掃描量熱儀進(jìn)行晶化程度分析。通過(guò)萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)作拉伸實(shí)驗(yàn),繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),使用掃描電鏡觀察斷口形貌,進(jìn)行力學(xué)性能分析。結(jié)果表明:冷卻速率影響Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料的顯微組織形貌和拉伸性能。直徑2 mm Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料組織非晶程度最大;直徑3 mm Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度比直徑4 mm樣品大,其斷口表面呈現(xiàn)樹(shù)枝狀脈絡(luò)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(fù)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(shí)際生產(chǎn)CuZrAl非晶復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

非晶復(fù)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(xué)和機(jī)械性能[1-3]。但由于室溫脆性和應(yīng)變軟化的特點(diǎn)[4],使其作為一種理想的工程材料受到嚴(yán)重限制[5]。CuZrAl非晶合金體系具有高強(qiáng)度、高玻璃形成能力和一定的可塑性[6],通過(guò)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(fù)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(guò)適當(dāng)?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(guò)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(guò)改變冷卻速度,研制三種不同直徑的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料。分析不同直徑的非晶復(fù)合材料的顯微組織特征,探索其拉伸性能。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用銅模滴鑄方法制備Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(hù)下,將反復(fù)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(fù)合材料棒材。將不同直徑的棒材,通過(guò)線(xiàn)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(guò)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(jìn)行三次電解拋光,徹底去除試樣表面劃痕。拋光時(shí)電壓控制為22.2 V,同時(shí)采用液氮進(jìn)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(xiàn)衍射分析儀(XRD)表征,其特征波長(zhǎng)λ=1.540 5×10-10m,使用Cu-K輻射;采用Pyris-1型(DSC)分析儀進(jìn)行差示掃描量熱分析;采用載荷傳感器為20 kN的Instron5569萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)作拉伸實(shí)驗(yàn),預(yù)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(fù)合材料橫截面的光學(xué)顯微組織形貌。由圖1a所示,Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(méi)有出現(xiàn),除個(gè)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(fù)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(zhǎng)大且團(tuán)聚比較嚴(yán)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(fù)合材料樣品晶化較嚴(yán)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(tuán)聚及長(zhǎng)大形成大片晶化區(qū)。說(shuō)明隨著冷卻速率降低,Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(fù)合材料XRD圖譜。由圖2可知,直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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B(niǎo)2-CuZr晶體相的出現(xiàn);直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(fù)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(fù)合材料在20 K/min速率下升溫的DSC曲線(xiàn)。由圖3可以看出,三種非晶復(fù)合材料樣品均存在正常玻璃轉(zhuǎn)換過(guò)程及放熱的晶化特征,其中直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的放熱峰較小。放熱峰的存在說(shuō)明Cu48Zr48Al4合金體系為非晶復(fù)合材料,其大小說(shuō)明直徑2 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料中所含非晶成分最大,4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料中所含非晶成分最小。

圖3　不同直徑的DSC曲線(xiàn)

2.2拉伸性能

圖4為直徑為3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料的室溫拉伸實(shí)驗(yàn)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。如圖4所示,直徑為3 mm的Cu48-xZr48Al4非晶復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為711 MPa,只存在彈性變形,沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形;直徑為4 mm的Cu48-xZr48Al4非晶復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度為571 MPa,同樣在彈性變形階段就直接斷裂,沒(méi)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(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度明顯降低,沒(méi)有出現(xiàn)明顯拉伸塑性。表明冷卻速率對(duì)Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能影響較大。

圖4　不同直徑應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線(xiàn)

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(fù)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(jìn)一步放大圖5a白色箭頭所指區(qū)域見(jiàn)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(shù)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(guò)高導(dǎo)致樣品表面局部軟化或流動(dòng)造成的。

圖6為直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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?chē)嬖诩?xì)小剪切帶,剪切帶在晶界處中斷,如圖6b白色虛線(xiàn)圓和白色箭頭1所示,還有一些明顯的裂紋且多呈沿晶擴(kuò)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(luò)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(shí)驗(yàn)中,直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(kù)倫定律[11],樣品側(cè)表面上形成較明顯剪切帶,拉伸過(guò)程中剪應(yīng)力起主要作用;直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(guò)程中正切力起主要作用。

直徑為3 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料,拉伸斷口表面發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀脈絡(luò)條紋;直徑為4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)合材料,出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu)。斷口形貌的不同,說(shuō)明樣品制備過(guò)程中冷卻速率對(duì)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(fù)合材料中晶體析出相為B2-CuZr。直徑4 mm的Cu48Zr48Al4非晶復(fù)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(jìn)了B2-CuZr與Al2Zr晶體相的形成,使基體晶化越嚴(yán)重。

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

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

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(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(yáng)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