Nb元素對Cu48Zr48Al4合金組織與性能的影響

梁維中,　李宗澤,　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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Nb元素對Cu48Zr48Al4合金組織與性能的影響

梁維中,李宗澤,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)

以高純銅鋯金屬母材為原料,采用銅模滴注的方法制備CuZr基非晶合金及其復(fù)合材料,并進行拉伸實驗。利用掃描電鏡、X射線衍射儀和掃描量熱分析儀對Cu48Zr48Al4和Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金進行結(jié)構(gòu)表征和拉伸性能分析。結(jié)果表明:Nb元素微量添加能夠改變Cu48Zr48Al4合金的組織形貌。Cu48Zr48Al4合金為非晶復(fù)合材料,抗拉強度較小、塑性微弱,斷口呈現(xiàn)樹枝脈絡(luò);Cu44.8Zr48Al4Nb3.2為非晶合金,具有較大的抗拉強度,沒有塑性,斷口為單一的塑坑形貌;兩種合金斷口表面均存在熔化現(xiàn)象,樣品側(cè)表面形成較少的剪切帶。該研究為實際生產(chǎn)CuZrAlNb非晶復(fù)合材料提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

非晶復(fù)合材料; 拉伸塑性； 組織形貌

塊體非晶合金因具有高強度、高硬度的特點而受到研究者廣泛關(guān)注[1],但是,此類合金非晶塑性較差,極大地限制了其工程應(yīng)用。為了提高非晶合金的塑性,國內(nèi)學(xué)者通過原位生成方法引入第二相,制備出非晶復(fù)合材料[2-5]。CuZrAl三元體系非晶塊體具有較強的玻璃形成能力、優(yōu)異的力學(xué)性能和低廉的成本,可應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。學(xué)者們先后成功制備出Cu46.25Zr44.25Al7.5Er2[6]、Cu46Zr46Ag8[7]、Cu48Zr48Al4[8]大塊非晶復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),B2-CuZr相對CuZr基非晶合金及其復(fù)合材料的塑性有一定影響,而Nb元素的添加會在一定程度上改變合金中B2-CuZr析出相的數(shù)量及形態(tài)。為此,筆者研究相同制備條件下Cu48Zr48Al4和 Cu44.8Zr48Al4Nb3.2兩種合金的拉伸性能,分析Nb元素對Cu48Zr48Al4合金組織與性能的影響。

1　實驗材料與方法

文中所用復(fù)合材料均采用銅模滴注的方法制備。Cu48-xZr48Al4Nbx(x=0、3.2)合金鈕扣錠通過在Ti吸氣的Ar氣氛中電弧熔煉純金屬制備,金屬純度為99.9%。合金錠重熔四次以確?；瘜W(xué)成分均勻。

棒材經(jīng)線切割加工得到如圖1所示的片狀試樣,線切割速度為0.9 mm/min,切割過程避免出現(xiàn)晶化現(xiàn)象。

圖1　拉伸試樣加工尺寸

切割后棒材依次采用74、15、10、4 μm砂紙磨掉拉伸試樣表面切割痕跡,使用體積比為4∶1的高氯酸與冰醋酸配制的拋光液進行四次電解拋光,去除表面劃痕,避免影響拉伸結(jié)果。拋光時采用液氮冷卻,電解拋光電壓22 V。拉伸實驗采用Instron5569萬能拉伸實驗機,載荷傳感器為20 kN,預(yù)加載荷130 N左右,拉伸速度為0.069 mm/min。

2　結(jié)果與分析

2.1結(jié)構(gòu)表征

2.1.1顯微組織形貌

圖2為Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金橫截面的光學(xué)顯微組織形貌。Cu48Zr48Al4合金樣品的表面顯微組織具有大量晶體相,這些晶體相趨于連接,形成團簇狀,分布在樣品中心。從里向外團簇現(xiàn)象減弱,晶體析出相減少,最后在樣品最外區(qū)形成一層寬度為150 μm的非晶帶,如圖2a所示，其中，白色箭頭所指為非晶帶。Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金樣品顯微形貌呈現(xiàn)非晶態(tài)特征,如圖2b所示。圖2說明向Cu48Zr48Al4體系中添加原子數(shù)分數(shù)為3.2% Nb元素,合金的晶化程度降低,呈現(xiàn)非晶形態(tài)。

圖2　合金顯微組織形貌

2.1.2XRD表征

圖3為Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金XRD圖譜。由圖3可知,Cu48Zr48Al4合金具有明顯的晶體特征,即存在晶體尖銳峰,晶體相為B2-CuZr和Al2Zr;當(dāng)Nb原子數(shù)分數(shù)增加到3.2%時,晶體特征消失,形成具有非晶特征的漫散射峰。由XRD結(jié)果可知,3.2% Nb元素的加入同時抑制了B2-CuZr晶體相和Al2Zr晶體相的形成。

圖3　Cu48-xZr48Al4Nbx合金XRD圖譜

2.1.3DSC分析

圖4為Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在20 K/min速率下升溫的DSC曲線。

圖4　Cu48-xZr48Al4Nbx合金DSC曲線

由圖4可知,兩種合金樣品均存在玻璃轉(zhuǎn)換過程及放熱的晶化特征。Cu48Zr48Al4合金的放熱峰較小,而Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金則存在明顯的放熱峰。放熱峰的存在及大小證明了兩種合金中均含有非晶成分,并且Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金的非晶含量明顯大于Cu48Zr48Al4合金。DSC與XRD分析結(jié)果與顯微組織形貌一致。

2.2拉伸性能

圖5為Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金室溫拉伸實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如圖5所示,Cu48Zr48Al4合金的斷裂應(yīng)力為1 510 MPa,在彈性變形后發(fā)生微弱的塑性變形,變形量為0.7%; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在彈性變形后直接斷裂,未發(fā)生塑性變形,斷裂應(yīng)力為1 853 MPa。在Cu48Zr48Al4合金中添加原子數(shù)分數(shù)為3.2% Nb元素,合金的斷裂強度明顯增加,微弱的拉伸塑性消失,說明Nb元素添加對Cu48Zr48Al4合金的拉伸塑性和斷裂應(yīng)力均產(chǎn)生影響。

圖5　Cu48-xZr48Al4Nbx合金拉伸曲線

2.3拉伸斷口形貌

圖6為Cu48Zr48Al4合金的拉伸斷裂樣品掃描圖像。由圖6a可以看出,試樣呈剪切斷裂,剪切斷裂角為35o,且能觀察到少量水平方向的剪切帶。放大圖6a中Ⅰ區(qū),發(fā)現(xiàn)B2-CuZr晶體相周圍存在多條剪切帶,但剪切帶沒有延伸到晶體相內(nèi)部,且B2-CuZr晶體相在拉伸過程中未發(fā)生變形,如圖6b白色虛線圓所示。由圖6c可見,在不平整的斷裂表面存在一些樹枝狀脈絡(luò)特征,樹枝狀脈周圍有一些小液滴存在。這是由于合金拉伸斷裂時瞬間釋放大量能量,溫度升高,導(dǎo)致合金局部軟化或流動,同時產(chǎn)生液滴。

圖7為Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金的拉伸斷裂掃描圖像。由圖7a可見,試樣呈剪切斷裂,斷裂面不平整,剪切斷裂角為45°,斷裂樣品側(cè)表面未發(fā)現(xiàn)明顯的剪切帶。由圖7b、7c所示，斷裂表面亦可見許多不同的斷裂平面,同時呈現(xiàn)出單一塑坑結(jié)構(gòu),放大后在脈絡(luò)之間發(fā)現(xiàn)明顯的微裂紋。

在室溫拉伸實驗中, Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48-Al4Nb3.2合金的斷裂方式均為剪切斷裂。不同成分合金剪切角不同:Cu48Zr48Al4合金35°,Cu44.8Zr48-Al4Nb3.2合金45°。剪切角度均小于或等于45°,符合莫爾-庫倫定律[9]。

圖6Cu48Zr48Al4室溫拉伸斷口形貌

Fig. 6Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

在拉伸過程中, Cu48Zr48Al4合金及Cu44.8Zr48-Al4Nb3.2合金樣品側(cè)表面上形成數(shù)量較少的剪切帶,說明拉伸斷裂主要是剪切帶起作用,因此不可能出現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形[10]。

在Cu48Zr48Al4合金的拉伸斷口表面發(fā)現(xiàn)樹枝狀脈絡(luò)特征; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金中出現(xiàn)塑坑結(jié)構(gòu),同時上述合金斷口表面都存在熔化的小液滴。這些特征可能是由于不同的顯微結(jié)構(gòu)在拉應(yīng)力作用下斷裂后形成的結(jié)果,為今后Cu-Zr-Al-Nb體系非晶合金及其復(fù)合材料的研究提供一定的借鑒。

圖7　Cu44.8Zr48Al4Nb3.2室溫拉伸斷口形貌

Fig. 7Tensile fracture images of Cu44.8Zr48Al4Nb3.2alloy at room temperature

3　結(jié)　論

(1)Cu48Zr48Al4合金中晶體相為B2-CuZr與Al2Zr晶體相。Cu48Zr48Al4合金中加入3.2% Nb元素,同時抑制了B2-CuZr與Al2Zr晶體相的形成。

(2)Nb元素添加改變了合金拉伸斷裂強度和塑性變形量。Cu44.8Zr48Al4合金斷裂強度為1 510 MPa,在彈性變形后發(fā)生微弱的塑性變形,變形量為0.7%; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在彈性變形后直接斷裂,最大斷裂強度為1 853 MPa,未發(fā)生塑性變形。

(3)Cu48Zr48Al4與Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金均發(fā)生剪切斷裂,Cu48Zr48Al4合金斷口表現(xiàn)為樹枝狀脈絡(luò)特征, Cu44.8Zr48Al4Nb3.2呈現(xiàn)出塑坑結(jié)構(gòu)形貌。兩種合金拉伸斷裂側(cè)表面均形成數(shù)量較少的剪切帶。

[1]MA D Q， LI J， ZHANG Y F， et al. Effect of compositional tailoring on the glass-forming ability and mechanical properties of TiZr-based bulk metallic glass matrix composites[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 612: 310-315.

[2]GAO J E, CHEN Z P, DU Q, et al. Fe-based bulk metallic glass composites without any metalloid elements[J]. Acta Materialia, 2013, 61(9): 3214-3223.

[3]WU F F, LI S T, ZHANG G A. Plastic stability of metallic glass composites under tension[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103: 1-5.

[4]ZHLI Z， ZHANG H， HU I， et al. Ta-particulate reinforced Zr-based bulk metallic glass matrix composite with tensile plasticity[J]. Scripta Materialia， 2010， 61(5)： 278-281.

[5]WANG K， FUJITA D， INOUE A， et al. Interface structure and properties of a brass-reinforced Ni59Ir20Ti16Si2Sn3bulk metallic glass composite[J]. Acta Materialia， 2008， 56(13)： 3077-3087.

[6]SONG K K， PAULY S， SUN B A， et al. Formation of Cu-Zr-Al-Er bulk metallic glass composites with enhanced deformability[J]. Intermetallics, 2012， 30: 132-138.

[7]SONG K K, PAULY S, ZHANG Y， et al. Thermal stability and mechanical properties of Cu46Zr46Ag8bulk metallic glass and its composites[J]. Materials Science & Engineering, 2013， 599: 711-718.

[8]WEI R, YANG S, CHANG Y, et al. Mechanical property degradation of a CuZr-based bulk metallic glass composite induced by sub-Tgannealing[J]. Materials & Design, 2014, 56: 128-138.

[9]ZHANG Z F, HE G, ECKERT J, et al. Fracture mechanisms in bulk metallic glassy materials[J]. Phys Rev Lett, 2003, 91(4): 045505.

[10]張哲峰, 伍復(fù)發(fā), 范吉堂, 等. 非晶合金材料的變形與斷裂[J]. 中國科學(xué), 2008, 38(4): 349-372.

(編輯荀海鑫)

Effect of Nb addition on microstructure and properties of Cu48Zr48Al4bulk metallic glasses composites

LIANGWeizhong,LIZongze,KANGZhijie

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper introduces the preparation of CuZr-based bulk metallic glasses composites(BMGCs) from the high purity Cu, Zr, Al and Nb metal material as raw material, using the method of copper infusion, as is accompanied by tensile properties test. The preparation is validated by analyzing structural characterization and tensile properties of Cu48Zr48Al4and Cu44.8Zr48Al4Nb3.2alloys by scanning electron icroscope(SEM), X-ray diffraction(XRD), Differential Scanning Calorimetry(DSC).The results show that micro addition of Nb provides change in the microstructure of Cu48Zr48Al4alloy, which behaves as bulk metallic glass composites, exhibiting smaller tensile strength, weak plasticity, and fracture in the form of the dendritic structure; by contrast Cu44.8Zr48Al4Nb3.2alloy behaves bulk metallic glass, with greater tensile strength, little plasticity, and fracture typical of single plastic crater morphology; and both alloys experience the melting on the fracture surfaces, and a smaller quantity of shear bands form on the side surfaces of the samples. The study may provide the basic data for the practical production of CuZrAlNb BMGCs.

bulk metallic glass composite; tensile plasticity； microstructure

2015-04-24

國家自然科學(xué)基金項目(51371078);黑龍江省自然科學(xué)基金項目(A201103);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12531585)

梁維中(1966-)，女,遼寧省朝陽人,教授,博士,研究方向:非晶復(fù)合材料,E-mail:wzliang1966@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.006

TG113

2095-7262(2015)03-0256-05

A