CuZrTiIn系非晶合金的性能研究

合金和化合物期刊期刊:www.elsevier.com/locate/jallcom微合金對CuZrAl塊體非晶合金力學(xué)性能的影響華中科技大學(xué)材料加工及模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430074，中國武漢工業(yè)系統(tǒng)和工程處，中國，香港，香港理工大學(xué)文章信息文章歷史：

收稿日期：2009年7月6日收到日期：2010年1月9日接納：2010年2月10日在線提供：2010年2月18日關(guān)鍵詞：塊體非晶合金微合金塑性相分離摘要微量Ta和Fe對CuZrAl非晶合晶力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加后顯著提高室溫塑性。Cu46Zr47Al7非晶的壓縮塑性應(yīng)變從0.59％分別提高到Cu46Zr45Al7Ta2非晶的2.62％和Cu44Zr47Al7Fe2非晶的4.81％。通過透射電鏡對Cu44Zr47Al7Fe2非晶的微觀塊體非晶合金結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，揭示了由于微量Fe的加入形成了富銅相和富鐵相。非晶相的不均勻結(jié)構(gòu)的形成，從而激活了多重剪切帶，可以改善非晶機(jī)體的塑性。目前的結(jié)果提供一個(gè)有前途的方法，以提高非晶合金的塑性，通過成分和結(jié)構(gòu)以微觀的設(shè)計(jì)。1.簡介相比傳統(tǒng)晶體金屬材料大部分金屬玻璃（非晶合金）原子無定形結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的機(jī)械性能，包括高斷裂，強(qiáng)度和硬度，優(yōu)良的耐腐蝕性和抗疲勞耐用性，但只有有限的室溫塑性前斷裂。許多方法已進(jìn)行調(diào)查提高塑性的非晶合金，如引進(jìn)微米級大小的韌性晶相，形成納米結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性，并提高合金的泊松比。除了次要的，已被廣泛用于控制各種晶體材料制造，結(jié)構(gòu)和屬性，現(xiàn)已應(yīng)用于非晶合金，以提高它們的可塑性。興報(bào)道，擴(kuò)展的的可塑性，可以在含有輕微的難熔金屬鋯基非晶合金鉭，由于強(qiáng)大的短程排序非晶相結(jié)構(gòu)的形成。類似的結(jié)果也被報(bào)道在Cu47Ti33Zr11Ni8Si1非晶區(qū)。另一方面，陳發(fā)現(xiàn)，Cu45Zr46Al7Ti2非晶的32.5％，具有優(yōu)異的壓縮塑性應(yīng)變，除了少量的鈦非晶合金中大量的自由體積的創(chuàng)建歸功于出色的的可塑性。在本文中，基于對Cu46Zr47Al7非晶制度的，我們試圖通過除了微量的鉭，鐵，其中有一個(gè)正熱基合金中的主要成分混合發(fā)展新的非晶與擴(kuò)展的的可塑性。2.實(shí)驗(yàn)元素金屬電弧熔煉（純度>99.5％），鈦吸氣Ar氣氛下制備的Cu46Zr47Al7，Cu46Zr45Al7Ta2和Cu44Zr47Al7Fe2的名義組成的合金錠。從母合金，直徑為2毫米和70毫米的長度樣品棒生產(chǎn)銅鑄造模具的每個(gè)成分。準(zhǔn)備鑄合金的非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢查，X射線衍射（XRD，飛利浦鈥PERT）與銅的K?輻射和差示掃描量熱（DSC，在Perkin-ElmerDSC-7）在加熱率20K/min的。鑄態(tài)樣品詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步研究傳輸納米梁諧振能譜電子顯微鏡（TEM，喬爾-2010）。透射電鏡箔制備了一系列細(xì)化的過程，即拋光機(jī)械，壓痕，最后離子銑。單軸壓縮試驗(yàn)與茲維克/Roell020測試機(jī)在應(yīng)變速率為1×10-4S-1。每個(gè)測試至少有五個(gè)標(biāo)本組成，得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。一個(gè)直徑壓縮標(biāo)本2毫米，4毫米的長度被切斷從鑄棒，兩端被打磨小心，以確保并行。裂縫和橫向的表面形態(tài)骨折后的樣品進(jìn)行了檢查與掃描電子顯微鏡（掃描電鏡，F(xiàn)EIQuanta200型）。3.結(jié)果與討論圖1（a）顯示了一個(gè)直徑為2毫米的鑄態(tài)合金的XRD圖譜。無明顯晶體峰值檢測到在X射線衍射譜，表示所有的合金基本上是非晶態(tài)。與鑄造合金的DSC曲線（圖1（b））是明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變（Tg）和之前的結(jié)晶全過冷液相區(qū)（Tx）十分相似。從DSC分析所產(chǎn)生的各種熱力參數(shù)列于表1。它可以看到輕微的元素除此之外提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但略有降低過冷的地區(qū)。圖2顯示室溫下設(shè)計(jì)各種塊體非晶合金單軸壓縮下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變率在1×10-4S-1，屈服強(qiáng)度，（σy），斷裂強(qiáng)度（σf），彈性應(yīng)變（?y）和塑性應(yīng)變（?p）得出如表2所示?？梢钥闯觯泻辖鹣啾?，在斷裂強(qiáng)度具有鉭和鐵此外沒有太大的差別，但塑性顯著增強(qiáng)。例如，Cu46Zr47Al7非晶表現(xiàn)出故障前的約0.59％的可塑性非常有限，但是，Cu46Zr45Al7Ta2和Cu44Zr47Al7Fe2塊體非晶合金分別展示為2.61％的顯著提高塑性應(yīng)變和4.81％。所有的塊體非晶合金沒有沿主剪切帶剪切斷裂角（θf）大約40°顯示，在本研究中的塊體非晶合金的變形機(jī)制如下莫爾庫侖準(zhǔn)則，請參閱表2），這是小于45°側(cè)面剪切帶和斷裂故障樣本模式如圖3所示。只有少數(shù)剪切帶的發(fā)現(xiàn)Cu46Zr47Al7非晶（圖3（a）），而可以觀察Cu46Zr45Al7Ta2和Cu44Zr47Al7Fe2塊體非晶合金的多重剪切帶（圖3（c）和（e））。由于大塊金屬玻璃所取得的塑性變形幾乎完全局限于狹窄的剪切帶，高密度和剪切帶的分布廣泛的地區(qū)應(yīng)占的提高可塑性。另一方面，斷口的Cu46Zr47Al7和Cu46Zr47Al7Ta2的非晶顯示脈狀圖案，這是用于非晶合金的典型特征。但Cu44Zr47Al7Fe2非晶表現(xiàn)出獨(dú)特的骨折形態(tài)組成的脈狀和河流一樣的模式，這可能導(dǎo)致在不斷變化的剪切帶的傳播方向。類似的斷口形貌中也觀察到一些其他的塊體非晶合金具有良好的室溫可塑性。要了解基底非晶可塑性改善輕微的添加的影響在Cu46Zr47Al7和Cu44Zr47Al7Fe2的塊體非晶合金的微結(jié)構(gòu)比較研究用透射電鏡。鑄態(tài)的透射電鏡明場圖像Cu46Zr47Al7非晶，呈現(xiàn)出均勻擴(kuò)散的電子衍射圖樣（見圖4（a）項(xiàng)）對比，表明同源均相非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)。相比之下，亮場圖像顯示在Cu44Zr47Al7Fe2非晶顯然存在兩個(gè)不同的階段，光明和黑暗的對比（圖4（b））。電子衍射圖樣不展示任何衍射斑點(diǎn)，這意味著認(rèn)為光明與黑暗的對比階段都是非晶態(tài)。能譜分析顯示納米梁，暗相富含鐵，而銅豐富在光矩陣。的黑暗階段的特征尺度為10-20納米。這意味著認(rèn)為非晶納米級的相分離發(fā)生在Cu44Zr47Al7Fe2體系。微合金化已經(jīng)被證明是一種有效的方式，以提高塊體非晶合金的塑性，尤其是當(dāng)合金元素，具有積極與基合金，這可能導(dǎo)致相分離的鑄態(tài)的主要成分混合生成焓。在現(xiàn)行制度下，混合熱量的構(gòu)成要素之間的關(guān)系如圖。5。鉭具有大量鋁混合負(fù)熱，同時(shí)積極與Zr和Cu（+3kJ/mol的鉭鋯和鉭銅+2kJ/mol時(shí)）的混合熱量。因此，Zr的部分替代鉭通過在CuZrAl系統(tǒng)可能會導(dǎo)致不均勻結(jié)構(gòu)的形成，如在非晶相，它可以提高的Cu46Zr45Al7Ta2非晶的塑料性強(qiáng)的短程或中程有序集群。類似的結(jié)果先前也由Hufnagel報(bào)告了。另一方面，鐵，銅表現(xiàn)出積極+13kJ/mol的，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鋯和鉭混合熱量，而鐵具有較大的負(fù)熱三銅，Zr和Al其余元素的混合。在這種情況下，相分離，最有可能發(fā)生由于有力的好感度，這實(shí)際上是在這項(xiàng)研究中實(shí)現(xiàn)。Cu44Zr47Al7Fe2非晶有兩個(gè)不同的化學(xué)成分的非晶相，因而應(yīng)該有不同的模量和臨界剪切應(yīng)力（CSSS）在非晶變形后，優(yōu)先啟動(dòng)時(shí)，剪切帶，其傳播可能會阻礙其他玻璃領(lǐng)域具有較高的CSS。然后，剪切帶的傳播將是遲緩，在新的剪切帶的萌生和增殖，這最終導(dǎo)致可塑性增強(qiáng)，人們普遍認(rèn)為，除了合金元素混合組成元素可能提供原子尺度的局部化學(xué)不均勻或在當(dāng)?shù)氐淖杂审w積分布的波動(dòng)較小正熱，而除了合金元素大量正熱的一個(gè)組成部分的混合可能會導(dǎo)致相分離。這兩種方法都可以影響剪切帶的傳播，并造成提高非晶的可塑性。圖1。XRD圖譜（a）和DSC曲線（b）有2毫米直徑度計(jì)鑄造合金。圖2。各種非晶合金在室溫下的壓縮應(yīng)力染色曲線表1玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，起效結(jié)晶溫度TX過冷液相區(qū)的寬度各種非晶合金結(jié)晶焓ΔH，ΔTX表2

力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度（σy），斷裂強(qiáng)度（σf），彈性應(yīng)變（?y），塑性應(yīng)變（?p），剪切斷裂角的各種非晶合金（θf）根據(jù)單軸壓縮。

圖3。外觀和斷口形貌Cu46Zr47Al7（a和b），Cu46Zr45Al7Ta2（C和D）和Cu44Zr47Al7Fe2（E和F）非晶合金壓縮斷裂后的掃描電鏡圖像。圖4。透射電鏡明場圖像與選定區(qū)域的衍射圖案插圖Cu46Zr47Al7（a）和Cu44Zr47Al7Fe2（b）非晶合金。圖5。熱混合在CuZrAlM構(gòu)成要素之間的關(guān)系（M=Ta和Fe）合金系統(tǒng)。4.結(jié)論CuZrAl非晶可塑性通過微元素鉭，鐵得到強(qiáng)化。Cu46Zr47Al7非晶壓縮塑性應(yīng)變從0.59％提高到2.62％和4.81％分別為Cu46Zr45Al7Ta2和Cu44Zr47Al7Fe2非晶。無論是在強(qiáng)烈的形式生成不均勻結(jié)構(gòu)短/中程排序或非晶態(tài)金屬相分離的形式，由于添加元素Cu46Zr45Al7Ta2和Cu44Zr47Al7Fe2非晶的可塑性增強(qiáng)。目前工作提供了提示微合金化，尤其是加熱有積極作用的元素，由于納米尺度的相分離，形成混合非晶合金的力學(xué)性能得到改善。致謝這項(xiàng)工作是由國家自然科學(xué)財(cái)政支持中國基金會批準(zhǔn)號：50871042和50828101。這由研究資助局的工作也部分支持香港特別行政區(qū)（下項(xiàng)目代碼PolyU5111/08E）。作者感謝的分析和測試華中科技大學(xué)為技術(shù)中心援助。參考文獻(xiàn)[1]W.H.Wang,C.Dong,C.H.Shek,Mater.Sci.Eng.R44(2004)45.[2]A.Inoue,ActaMater.48(2000)279.[3]W.L.Johnson,MRSBull.24(1999)42.[4]Z.F.Zhang,G.He,J.Eckert,L.Schultz,Phys.Rev.Lett.91(2003)045505.[5]A.Inoue,B.L.Shen,H.Koshiba,H.Kato,A.R.Yavari,NatureMater.2(2003)661.[6]Y.Zhang,A.L.Greer,Appl.Phys.Lett.89(2006)071907.[7]C.C.Hays,C.P.Kim,W.L.Johnson,Phys.Rev.Lett.84(2000)2901.[8]J.Das,M.B.Tang,K.B.Kim,R.Theissmann,F.Baier,W.H.Wang,J.Eckert,Phys.Rev.Lett.94(2005)205501.[9]K.B.Kim,J.Das,F.Baier,M.B.Tang,W.H.Wang,J.Eckert,Appl.Phys.Lett.88(2006)051911.[10]J.Schroers,W.L.Johnson,Phys.Rev.Lett.93(2004)25506.[11]W.H.Wang,Prog.Mater.Sci.52(2007)540.[12]L.Q.Xing,Y.Li,K.T.Ramesh,J.Li,T.C.Hufnagel,Phy.Rev.B64(2001)180201.[13]E.S.Park,D.H.Kim,T.Ohkubo,K.Hono,J.Non-Cryst.Solids351(2005)1232.[14]L.Y.Chen,Z.D.Fu,G.Q.Zhang,X.P.Hao,Q.K.Jiang,X.D.Wang,Q.P.Cao,H.Franz,Y.G.Liu,H.S.Xie,S.L.Zhang,B.Y.Wang,Y.W.Zeng,J.Z.Jiang,Phys.Rev.Lett.100(2008)075501.[15]L.Liu,C.L.Qiu,M.Sun,Q.Chen,K.C.Chan,K.H.Geoffrey,Pang,Mater.Sci.Eng.A449–451(2007)193.[16]N.Chen,D.V.Louzguine-Luzgin,G.Q.Xie,T.Wada,A.Inoue,ActaMater.57(2009)2780.[17]A.A.Kündig,M.Ohnuma,D.H.Ping,T.Ohkubo,K.Hono,ActaMater.52(2004)2441.[18]J.C.Oh,T.Ohku