高径比对Zr基非晶合金压缩性能的影响

吴　争,张　波,王继杰

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)



高径比对Zr基非晶合金压缩性能的影响

吴争,张波,王继杰

(沈阳航空航天大学 材料科学与工程学院，沈阳 110136)

采用铜模浇铸法制备了ZrTiNiCuBe非晶合金并系统研究了高径比的变化对该非晶合金准静态压缩力学性能的影响。结果表明，样品高径比减小时，Zr基非晶合金的抗压强度随之增大。高径比小于或等于1时，非晶合金的塑性应变明显增大；高径比为0.5，塑性应变达30%时，样品仍未断裂。扫描电镜观察显示小高径比的样品侧表面剪切带数量明显增多。

Zr基非晶；高径比；压缩强度；塑性应变；剪切带

非晶合金是一种无原子三维周期性排列的金属或合金固体，原子排列呈现长程无序、短程有序的特点。非晶合金独特的结构导致其变形和断裂机制与传统的晶态合金不同[1-3]。近年来，有关非晶合金变形机制的研究已经引起了大量科研工作者的关注。一般来说，非晶合金的塑性变形局限在很窄范围的剪切带内，剪切带的快速扩展会导致样品的突然断裂。但是大量研究结果表明，在轴向载荷(压缩载荷或拉伸载荷)下，非晶合金的剪切断裂并不沿最大剪切应力面，部分非晶合金在压缩载荷下而表现出一定的塑性变形能力，这是由于非晶试样中产生了剪切带[1,3]。因此，剪切带是怎样形成和扩展以及如何控制非晶合金的塑性变形就成为研究者探索的问题。Conner[4]的研究结果发现薄非晶条带在弯曲载荷下能够经历一定的塑性变形而不断裂，但是厚非晶合金板却会发生突然的断裂。Lewandowski[5]研究结果表明流体静压力对Zr基非晶合金的塑性流变以及断裂行为均有一定程度的影响，非晶合金在有限制的情况下呈现出超过10%的塑性变形能力。Bruck[6]等研究了高径比分别为1∶2和2∶1的非晶合金样品的压缩性能，结果表明小高径比的样品屈服强度略高且压缩塑性明显增大，这说明非晶合金的塑性与样品的几何尺寸以及加载模式密切相关。Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金是目前非晶形成能力较强、应用前景较好的非晶态合金之一，如果该合金在高径比较小的情况下可以承受一定的变形而不发生断裂，那么就有望拓宽该合金的应用领域。因此，本文通过制备不同高径比的压缩试样，详细研究了高径比的变化对ZrTiNiCuBe非晶合金压缩性能的影响。

1　研究方法

Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5母合金通过电弧熔炼制备。具体过程为：选用纯度不低于99.8 wt.%的Zr、Ti、Cu、Ni、Be纯金属，各种纯金属所需的质量按原子百分比配制。将纯金属切割成小块，去除表面的氧化皮，用精密天平(Sartorius BS 223S,Max 220 g,Min 0.001 g)精确称量各金属的质量。将配制好的各种金属经过清洗干燥后均匀混合置于电弧炉坩埚内，将工作腔抽至较高的真空度，而后充入高纯氩气作为保护气体。为进一步降低电弧炉炉腔内的含氧量，在熔炼合金前，先将预置于炉内的吸收钛合金锭熔化。为保证合金锭成分尽可能均匀，每个合金锭至少翻转熔炼4次，然后用铜模浇注法将母合金浇铸成直径为5 mm的合金棒。应用线切割设备制备压缩试样，切完后需将试样端面磨平，试样尺寸分别为Φ5×10 mm、Φ5×7.5 mm、Φ5×5 mm和Φ5×2.5 mm，对应的高度和直径的比值(高径比)分别为2、1.5、1和0.5。采用日本理学D/max-2500PC型 X射线衍射仪(Cu-Kα 辐射，波长λ=1.540 56 nm)对样品进行物相分析。采用Instron5582型万能力学试验机对4种样品进行压缩试验，应变速率为10-4s-1。为保证数据的可靠性，每组样品做3次重复试验，取平均值。采用FEI Quanta 600型扫描电子显微镜来观察变形或断裂后样品的侧表面和断口形貌。

2　实验结果与分析

图1为铜模浇铸的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲线，由图1可以看出，所制备的ZrTiNiCuBe合金的衍射曲线没有与晶态材料的明锐衍射峰相对应，而表现为典型的代表非晶态的漫散射峰，这说明所制备的合金棒为完全的非晶态结构。

图1　铜模浇铸的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲线

对4种高径比的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金压缩样品进行压缩性能测试，应力应变曲线如图2所示。高径比分别为2、1.5和1时，3种样品的抗压强度分别为1 923 MPa、1 930 MPa和2 026 MPa，抗压强度略有增大。而当高径比为0.5，塑性应变达到30%时，样品仍然没有断裂，因此没有得到这种压缩样品的抗压强度。但从图2中可以明显看出，小高径比样品的抗压强度明显增大。当高径比为2和1.5时，Zr基非晶的压缩应力应变曲线呈现弹性变形后直接断裂的特征，几乎没有塑性变形；而当高径比减小到1时，Zr基非晶的压缩变形由弹性变形后直接断裂向塑性变形转变，塑性变形为3%；随着高径比减小到0.5时，Zr基非晶的塑性应变明显增大，压缩载荷下，塑性应变大于30%。可见，高径比的改变显著影响Zr基非晶的压缩性能。

图3为不同高径比的Zr基非晶样品在压缩载荷下破坏或变形后的宏观形貌。由图3明显可见，当高径比大于等于1时，Zr基非晶的断裂方式均为剪切断裂；高径比为2、1.5和1时，剪切断裂角分别为34°、40°和30°;而当高径比为0.5时，样品经历较大塑性变形后仍然没有发生断裂。压缩载荷下，与加载轴向成45°方向的剪切应力最大。但是大量的研究结果表明，绝大多数非晶合金在压缩载荷下的剪切断裂角均小于45°，而在拉伸载荷下的断裂角则大于45°[1,3]，这是因为剪切断裂不仅依赖于剪切面上的剪切应力，剪切面上的正应力也起到一定的作用。非晶合金与晶态合金相比具有相对较高的断裂强度，因而其断裂瞬间剪切断裂面具有较高的法向应力，而过高的法向应力会影响非晶合金剪切断裂面的取向[3,7]。在拉伸载荷下，法向应力会促进材料的剪切断裂，使剪切断裂面与轴向夹角偏向大于45°的方向。而在压缩载荷下，法向应力则会抑制非晶合金的剪切断裂，使剪切断裂面与轴向

夹角偏向小于45°的方向。本实验中，Zr基非晶合金在压缩载荷下断裂后的剪切断裂角均小于45°，可见Zr基非晶合金的破坏方式符合Mohr-Coulomb准则。

图2　高径比分别为2、1.5、1和0.5时Zr基非晶的压缩应力应变曲线

图3　不同高径比时Zr基非晶压缩变形后的宏观形貌

图4为样品断裂后的侧表面剪切带形貌图。图4(a)、(b)和(c)中箭头所指为剪切带，图4(d)中剪切带数量较多且较为明显，因此没有标出。可见当样品高径比为2和1.5时，Zr基非晶变形后侧表面的剪切带数量非常少；随着高径比减小为1时，样品侧表面剪切带数量明显增多且出现弯曲和分叉的现象；当高径比减小到0.5时，样品侧表面的剪切带数量和密度均明显增加，且大部分剪切带的方向均偏离了45°方向，样品端部靠近压头一侧尤为明显，出现了大量近似垂直于加载轴向的剪切带。由于非晶独特的结构使之不能像晶态材料一样通过位错产生塑性变形，只能通过剪切带变形。而剪切带数量的多少和剪切带之间交互作用的程度往往决定着非晶材料的变形能力，剪切带越多、密度越大，则塑形变形能力越强；相反，剪切带越少则塑形变形能力越差[6,8-9]。本实验中，随着样品高径比的减小，变形后样品侧表面的剪切带数量和密度均明显增大，且剪切带的交互作用明显增强，这些现象均预示着样品的塑性变形能力也会随着高径比的减小而增强，也就是说Zr基非晶的塑性应变应随高径比的减小而增大，这恰好与压缩实验得出的结果(如图2所示)相符。

图4　不同高径比时Zr基非晶压缩变形后的侧表面的剪切带形貌

图5　不同高径比时Zr基非晶合金压断后的断口形貌

图5为高径比分别为2和1时Zr基非晶合金试样压断后的断口形貌。可见该非晶合金压断后的断口形貌以脉纹状花样为主，具有明显的熔化特征。断口上所呈现的这种类似于液体的特征形貌是由剪切带内的剪切软化造成的。一些研究者认为这种软化是由于局部放热而产生的，局部温升从0.1 K到几千K不等[10-12]。也有一些研究者认为这是由于剪切带内的结构演变造成的[10]，而研究者普遍认可断裂面上脉纹花样以及熔滴是由于剪切带内粘度降低而形成的观点[13]。Yang等人[14]应用红外线成像估测剪切带内的温升在650～1 200 K范围内。Lewandowski和Greer[15]通过对表面镀锡的非晶合金试样进行弯曲实验，发现试样表面覆盖的薄锡层发生了熔化，而熔化发生在靠近剪切带的位置，这证明了试样的剪切断裂所引起的表面温升超过了金属锡的熔点(200 K)。通过对非晶合金样品压缩断口的观察，作者认为Zr基非晶合金压缩剪切断裂后断口形貌的特征是由于剪切带内结构演变的同时弹性势能在断裂瞬间释放使断口附近温度升高而形成的。

由以上结果可以看出，高径比的改变显著影响ZrTiNiCuBe非晶合金的准静态压缩力学性能。随着高径比的减小，ZrTiNiCuBe非晶合金的强度和塑形均呈现增大的趋势，高径比越小，其增大幅度越大。目前被普遍接受的非晶合金的微观变形机制为剪切变形区内原子团簇的重排，根据文献报道，剪切变形区的尺寸大概为50～500 nm[16]，因此，高径比的变化应该不会影响非晶合金的微观变形机制，那么造成如上尺寸效应的主要原因可能取决于加载方式。压缩载荷下，压缩样品端部在压缩过程中受压头摩擦力的影响较大，使得样品端部存在一个自端部向中心逐渐减小的径向压缩应力，这种径向压缩应力的存在改变了样品端部的应力状态，使其处于类似于双向压应力的受力状态。随着高径比的减小，样品处于双向压应力作用范围的比例也会随之增大。高径比较大时，样品中部不受径向压缩应力的影响，剪切带可以贯穿整个样品使得样品发生剪切断裂，因此此时复合材料的强度和塑性变化不是十分明显。而当高径比小于等于1时，径向压缩应力几乎影响整个样品，如果主剪切带沿与加载轴向成45°方向生成并沿此方向扩展，那么由于径向压缩应力的存在必然会使主剪切带的扩展受阻，并促使多剪切带的生成，因此合金的塑形和强度均会随之升高。

3　结论

(1)通过铜模铸造法成功制备了Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金，XRD结果表明所制备的合金为完全的非晶态结构;

(2)对不同高径比的Zr基非晶样品进行了压缩性能测试，结果表明随着高径比的减小Zr基非晶的抗压强度和塑性应变随之增大，造成这种结果的原因为压头与样品之间产生的径向压缩应力;

(3)Zr基非晶的断裂方式为剪切断裂，剪切角均小于45°。随高径比的减小，样片侧表面剪切带数量和密度均增大，交互作用增强，这也是材料塑性应变增加的原因；不同高径比的样品压断后断口的形貌类似，均为典型的脉纹状花样。

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(责任编辑：吴萍英文审校：刘兴民)

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

国家自然科学基金(项目编号：51401131)

吴争(1989-)，男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向：非晶合金及其复合材料，E-mail：brainwz@126.com；王继杰(1965-)，男，河南南阳人，教授，博士，主要研究方向：轻合金及其加工技术，E-mail：wangjijie@sau.edu.cn。

TB331

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.009