非晶复合材料中析出相对力学性能的影响

肖月华，赵贺永（文山学院化学与工程学院，云南文山663000）

非晶复合材料中析出相对力学性能的影响

肖月华，赵贺永
（文山学院化学与工程学院，云南文山663000）

不同强化相的组织特征不同可能导致材料不同的力学性能.利用高真空电弧炉制备（Cu50Zr50）100-xAlx非晶复合材料，并采用XRD、SEM等对材料进行表征，研究析出相B2-CuZr相的含量及分布状态对非晶复合材料压缩后力学性能的影响.非晶复合材料基体中适量弥散分布的B2-CuZr相可有效提高非晶复合材料的屈服强度和压缩塑性，直径3mm的（Cu50Zr50）97Al3屈服强度已达到2 200MPa，并能产生23％的压缩塑性.这主要是由于非晶复合材料基体中的析出相B2-CuZr相会阻碍剪切带扩展，使剪切带分叉成多剪切带，实现了多剪切带的相互作用，从而使其具有更大的屈服强度和更显著的塑性应变.

非晶复合材料；高真空熔炼电弧法；B2-CuZr相；屈服强度；压缩塑性

Xiao YH,Zhao HY.Effecton Precipitated Phase in Amorphous Compositeson Mechanical Properties[J].Journal of Yib⁃in University,2015,15（6）：20-23.

非晶合金中不存在晶体合金中常见的位错、晶界等缺陷，合金变形时亦不会因为位错运动而产生滑移，因此表现出超高的强度、硬度和弹性、耐磨性等优越性能[1-3]，使非晶合金在体育器材方面得到了广泛应用，如制作高尔夫球头、网球拍、棒球滑雪板等.另外，非晶合金在压应力下会发生剪切断裂，有很好的自锐性，可成为理想的穿甲弹制作材料.但是，非晶合金的室温变形方式为非均匀变形，材料在承受较高负荷变形时易发生灾难性脆性断裂，极大限制了其实际应用.

针对上述问题，科学工作者已做了大量研究工作，主要是通过外加法、原位内生法、应力诱发法[4]等制备非晶复合材料来提高其室温塑性.研究结果表明，通过原位内生法制备的非晶复合材料第二相与基体结合较好、界面纯净，表现出较好的力学性能.诸如采用原位内生法来制备CuZr基非晶复合材料，主要是利用CuZr基非晶有着较高的非晶形成能力，可以通过降低冷速析出第二相，得到非晶复合材料.Song等[5-6]利用相变诱导塑性效应（TRIP效应）来提高非晶复合材料的韧塑性，发现通过成分和冷却速度的调节，理论上可获得单一B2-CuZr相增强的非晶复合材料.但在实际中，B2-CuZr相在快冷过程中容易发生热应力诱发马氏体转变，以及CuZr基非晶合金中合金化元素的加入会导致B2-CuZr相在加热过程中分解为其他化合物.Pauly等[7]采用经验的“三结构模型”将复合材料的结构分成晶体、非晶、非晶+晶体的均匀分布相，理论预测了非晶复合材料的压缩塑性随晶体分数的变化趋势，此研究为本课题的开展提供了理论支撑.本文以（Cu50Zr50）100-xAlx为研究对象，采用XRD、SEM等对材料进行表征，实验研究基体中的初生相B2-CuZr相对力学性能的影响.

1　实验器材

实验使用纯度为99.9％（at％）以上的Cu、Zr、Al等金属元素，各合金的化学成份为（Cu50Zr50）100-xAlx.先将金属表面的氧化膜用砂纸打磨除去，再用精度为0.000 1 g的电子天平称出所需合金组元的质量，倒入丙酮中进行超声波清洗，以除去合金表面的油污及在配料过程中附在其上的杂质.

实验设备有高真空熔炼电弧炉（沈阳金属研究所）、X射线衍射仪（型号为Rigaku D/MAX-RB）、SU⁃PRA55型场发射扫描电镜和液压控制系统材料试验机（MTS810）.

2　试验过程

首先，通过电弧熔炼，铜模水冷吸铸制得Al含量变化时不同尺寸的非晶态合金棒；其次，将非晶棒做成XRD试样进行XRD试验；然后从不同尺寸的非晶棒上线切割得相同尺寸2mm的非晶棒，进行力学性能测试（为减少实验误差，每个力学性能测试重复两次），测试试样的长径比为2∶1.注意用模具将试样固定后打磨光滑并保证两个端面的平行度以及与轴线的垂直度.压缩试样在进行测试之前进行精心打磨抛光，尽量减少试样表面因素（如划痕、凹坑等）对实验结果造成的影响.力学性能测试是在液压控制系统材料试验机（MTS810）上进行的，测试温度为室温；压缩应变速率为2×10-4s-1.利用SUPRA55型场发射扫描电镜观察表面及断口组织形貌.

3　结果与分析

3.1B2-CuZr相改性非晶复合材料效果分析

如图1所示，对于（Cu50Zr50）97Al3成分，当吸铸直径为2mm时，试样在2θ=40°附近出现了一个漫散射峰，说明其结构为全非晶，一般认为全非晶室温脆性很大，力学性能较差[3].当吸铸直径为3mm时，试样在2θ=40°附近出现了一个尖锐的晶化峰，经PDF卡片比对确认物相为B2-CuZr相.

图1　（Cu50Zr50）97Al3试样的XRD试验结果

图2的压缩试验测试结果显示该合金的屈服强度为2 200MPa，塑性为23％左右，其屈服后强度从2 200MPa增加到3 100MPa才断裂，呈现出一定的加工硬化趋势[8]，综合力学性能很好.

图2　（Cu50Zr50）97Al3试样的室温压缩应力－应变曲线

图3的SEM结果显示，基体上的析出相是圆形的B2-CuZr相.

而当吸铸直径为5mm时，图1的XRD试验结果显示试样在2θ=40°、2θ=70°、2θ=85°附近出现了尖锐的晶化峰，经PDF卡片比对确认物相为B2-CuZr相，在2θ=35°附近出现了Cu10Zr7相，在2θ=45°附近出现了其它相，图2的压缩试验结果显示其屈服强度很低，仅为400MPa，压缩塑性也仅为13％左右，力学性能很差，图3的SEM试验结果也证实了其基体上出现了很多树枝晶.说明非晶复合材料基体中单一的B2-CuZr相（未出现其它相）的出现能大大提高屈服强度和压缩塑性，极大地改善非晶复合材料的力学性能.将图1的XRD试验结果、图2的压缩试验测试结果总结如表1所示.

图3　（Cu50Zr50）97A l3试样的SEM试验结果

表1　（Cu50Zr50）97Al3试样的力学性能参数和相组成

3.2B2-CuZr的分布状态对力学性能的影响

经过试验发现吸铸直径为3mm的（Cu50Zr50）96Al4和吸铸直径为5mm的（Cu50Zr50）94Al6两个试样的相组成均是在非晶基体上出现了单一的B2-CuZr相，没有其它相出现.现在利用扫描电镜观察两试样横截面的组织形貌，并与试样的压缩力学性能相联系，从而揭示析出相B2-CuZr相的分布状态与非晶复合材料力学性能的关系.

将图4的SEM结果和图5的力学测试结果总结如表2所示：吸铸直径为3mm的（Cu50Zr50）96Al4试样中B2-CuZr相含量相对较少，且成弥散分布，塑性达到了23％左右，并且有一定的加工硬化能力；而直径为5mm的（Cu50Zr50）94Al6试样中B2-CuZr相含量较多且粘连在一起，其虽然有较大的加工硬化能力，但屈服强度仅为900MPa，塑性为15％左右.说明在所研究的非晶复合材料体系中，B2-CuZr相的含量并非越多越好，而是应当有一个合适的量，且弥散分布的析出相对力学性能的改善优于粘连在一起的析出相.

图4　SEM试验结果

图5　室温压缩应力－应变曲线

表2　（Cu50Zr50）100-xAlx的力学性能参数和试样横截面的SEM试验结果

3.3B2-CuZr增强非晶复合材料力学性能的原因

吸铸直径为3mm的（Cu50Zr50）96Al4综合力学性能较好，观察其压缩后的断口形貌如图6所示：在试样侧面发现高密度剪切带，并且单一剪切带分叉成多剪切带，发生了数量和方向上的改变，这些剪切带的扩展路径呈波状特征.多剪切带之间间距较小，并相互作用，剪切带相互作用区域往往是微裂纹形核区域.微裂纹的扩展受到了析出相B2-CuZr相的干扰，并被阻止.可以说，微裂纹的形成和扩展受到了析出相B2-CuZr相的干扰和阻碍，因而其屈服强度大大提高，有较大的加工硬化能力，压缩塑性也明显改善，综合力学性能较好.

图6　直径为3mm的（Cu50Zr50）96A l4的试样压缩断口形貌

4　结论

（1）非晶基体中单一B2-CuZr相的出现大大改善其力学性能，其中吸铸直径为3mm的（Cu50Zr50）97Al3压缩塑性最大，达到23％，屈服强度也最大，为2 200MPa.

（2）所研究的非晶复合材料体系中，B2-CuZr相的含量并非越多越好，而是应当有一个合适的量，而且弥散分布的析出相对性能的改善要优于粘连在一起的析出相.

（3）初步探索非晶基体中单一B2-CuZr相增强其力学性能原因：非晶复合材料基体中弥散分布的初生相B2-CuZr奥氏体相阻碍剪切带扩展，并且使剪切带分叉成多剪切带，实现了多剪切带的相互作用，阻碍了微裂纹的形成和扩展，从而使该材料具有较高的屈服强度和更显著的塑性应变，更深层次的原因有待进一步探讨.

[1]Lu ZP,BeiH,Wu Y.Oxygen effectson plastic deformation ofa Zrbased bulk metallic glass[J].Applied Physics Letters,2008（92）：161-165.

[2]Eckert J,Das J,Pauly S.Mechanical properties of bulk metallic glasses and composites[J].JournalofMaterials Research,2007（22）：285.

[3]Inoue A,Takeuchi A.Recent development and application prod⁃uctsofbulk glassy alloys[J].ActaMaterialia,2011（59）：2243-2267.

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（编校：李青）

Effecton Precipitated Phase in Amorphous Com positeson Mechanical Properties

XIAOYuehua,ZHAOHeyong
（Chemistry and Engineering College,Wenshan University,Wenshan,Yunnan 663000,China）

Differentstrengthening phase,due to itsorganizational characteristics,will lead to differentmechanical proper⁃ties.High vacuum electric arc furnace was employed to prepare（Cu50Zr50）100-xAlxamorphous compositematerials,and X-ray diffraction（XRD）and scanning electronmicroscope（SEM）were adopted to characterize the structure-activity rela⁃tionship.The effectof contentand distribution stateof B2-CuZr phase onmechanical propertiesofamorphous composites after compressionwas investigated in detail.The results show thatmoderate and diffuse distribution of B2-CuZr phase in the amorphousmatrix can effectively improve the yield strength and compression plasticity ofamorphous composites.The （Cu50Zr50）97Al3amorphous compositematerialwith a diameter of 3mm has showed excellentmechanical properties under compression,including high yield strength of 2 200 MPa with plasticity of 23％and significant work-hardening.It is mainly because the primary phase B2-CuZrwhich disperses in the amorphousmatrix could hinder shear band propoga⁃tion,resulting in mulitiple shear bands and leading to strong interaction between shear bands,which gives rise to high yield strength and large plastic strain.

amorphous composites；high vacuum melting electric arc method；B2-CuZr phase；yield strength；compres⁃sion plasticity

TG139.8

A

1671-5365（2015）06-0020-04

2014-12-07修回：2015-02-12

云南省教育厅科学研究基金资助项目（2013Y587）；文山学院校级课题（14WSY11）

肖月华（1983-），女，助教，硕士，研究方向为非晶与冶金

网络出版时间：2015-03-01 10：56网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150301.1428.003.html

引用格式：肖月华，赵贺永.非晶复合材料中析出相对力学性能的影响[J].宜宾学院学报,2015,15（6）：20-23.