块体非晶合金的制备及物理性能验证

谢秋慧　李晓

摘 要：党的十八大及十八届三中全会以来，节能降耗、绿色发展已成为全社会的共识。作为一种全新的低能耗、高效率的合金材料--非晶合金材料越来越受到各行业的广泛关注，该材料作为一种强度高、耗能低的新型材料，其优异的化学及物理性能使之在各行业中具有广泛的应用潜力。目前，对于块体非晶合金的制备工艺、脆性问题、塑性变形能力改善途径、韧化等方面的研究也越来越深入。文章希望从进口块体非晶合金的制备及物理性能研究验证出发，为今后更准确地把关该进口商品的质量、建立对该进口金属更有效的检验机制提供参考。

关键词：进口块体非晶合金；制备工艺；脆性问题

党的十八大及十八届三中全会以来，节能降耗、绿色发展已成为全社会的共识，作为一种全新的低能耗、高效率的合金材料——非晶体合金材料越来越受到各行业的广泛关注，越来越多制造企业、研究机构、学术学院已不断进口块体非晶合金用来研究和生产加工，因为不存在晶界及第二相，也没有差排等晶体内部微观缺陷，所以块体非晶合金拥有独树一帜的化学和物理性能。块体非晶合金的强抵抗形变能力、极高的塑性变形抗力，良好的耐磨损耐腐蚀能力，使其作为新型结构材料进行大量应用有了极强的潜力。文章旨在从自我制备块体非晶合金的方式以及研究验证其物理性能角度出发，为今后更准确地把关该进口商品的质量、建立对该进口金属更有效的检验机制提供参考。

1 Zr基块体非晶合金的制备

非晶结构金属首次被人知晓是在1934年，来自德国的科学家Kramer制备了Sn非晶合金。1960年人类第一次出现了采用人工合成的非晶合金，美国的Duwez教授用比正常工艺过程中快得多的冷却速度制备出了Au2Si非晶合金。1984年，Turnbull等人利用采用熔融玻璃包裹合金熔液，获得了合金熔液深过冷状态，铸造出了厚度达10毫米的Pd40Ni20P10块体非晶。1993年，美国加州理工学院研究小组发现了至今为止成型能力最佳的锆-钛-铜-镍-铍非晶合金，他们利用高速冷却的方式，制备了直径达100mm的块体非晶合金。上述研究说明应用常规铸造理论和系统知识生产制备某些特定的块体非晶合金已不是阻碍，但是由于凝固过程发生转变最小冷速限制，所能生产出的块体非晶最大厚度仍是被制约的，而且形态选择面极小，而作为结构材料，需要在真实使用过程中具有多种不同形态和厚度，因而目前的直接铸造法与真实状态下需要的生产制备要求仍有极大差距。由于Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5具有很高的非晶形成能力，因此在此次实验制备中我们使用铜模吸铸法，以锆基非晶为研究对象，采用的实验设备是WK FD-1200真空电弧熔炼炉。作为掺杂剂的母合金选取高纯金属提炼制成，在整个坩锅底部是低熔点金属，而上侧置放高熔点金属，为了避免低熔点金属蒸发和外溅。我们将真空控制在6.0×10-3Pa以上的高压状态下，随后充满约300Pa的高纯度氩气用来作为保护气，以防熔炼的合金在由下而上地吸入型腔过程中发生氧化情况。我们待合金元素达到完全均匀后，在重复同样的熔炼四次，最后将用一只水冷薄壁铜模作结晶器，把它的下端浸入到合金液中，形成有一定规格和形状的块体材料。

2 块体非晶合金的物理性能验证

2.1 Zr基块体非晶合金的脆性问题验证

脆性问题一直是块体非晶全面应用的最大阻力，即使块体非晶断裂强度几乎达到2 GPa左右，但是其在断裂前一瞬间的宏观塑形变形仅有0.2%，如图1。

从图1中我们可以观察到，它在断裂前的变形可以说全部为可恢复的弹性变形，其应力应变曲线几乎到达直线。每次当应力到达屈服强度位置，往往还未表现出显著的塑性变形，便发生了断裂现象。所以说如何能保持Zr基块体非晶高强度的优点，又不断强化合金塑性，完成非晶合金的强韧化，是其将来成为全面推广应用的首要任务，也是我们今后检验其优劣的关键项。

2.2 Zr基块体非晶合金的弹性模量验证

弹性模量是叙述固体材料抵抗变形能力的一个重要指标。在块体非晶合金中，由于成分不同，弹性模量也会产生较大的区别。总体看来，镁基非晶合金的弹性模量与镁合金的弹性模量比较接近，而作为贵金属的钯基和锆基非晶合金的弹模与铝合金的弹性模量较相似。铁基非晶合金的弹性模量高于钛合金，和钢铁材料的弹性模量有所雷同。块体非晶合金的弹性模量值相对于晶体合金要显得低，但其在外力作用下可恢复的最大弹性应变量εe很大，要达到2.2%。此外，块体非晶合金的弹性极限值σe非常高， 贴近屈服强度值。因此我们可以看到，块体非晶合金具有很高的吸收弹性变形功的能力。而锆基块体非晶合金的应变比能为19.0MJ/m2，其弹性比功要超出性能最好的弹簧钢近八倍以上。

2.3 Zr基块体非晶合金的冲击断裂强度与断裂能验证

图2所示为本次采用铜模铸造法生产的Zr基非晶合金板的摆锤冲击载荷O位移曲线，最大冲击断裂应力分别估算为1615MPa，最大冲击断裂能为63kJ/m2。整个测试说明锆基非晶合金抵抗冲击性能断裂的强度与材料本身的铸造有极其紧密的联系。用高压作用快速填充的锆基块体非晶合金，在被冲压的情况下其开裂能量会大大提高。我们发现，块体非晶断面微观形貌由两种奇妙的图案组成，分别是脉纹状形貌和韧窝微观形貌，既有别于其他合金具备的贝壳状形貌，也没有高强度钢较为常见的“类解理”小平面。

2.4 验证外部条件对块体非晶物理性能的作用

从大量文献中我们可以得知，现有针对外部条件对块体非晶合金疲劳裂纹扩展行为的影响，主要集中在三种环境：大气、去离子水、0.5mol/L的NaCl溶液。本次我们也进行了相关实验验证，分别采用大气、水和海水。试验结果表明，块体非晶合金在水中单位时间内的疲劳裂纹增量比在空气中有所增加。而我们采用了类似0.5mol/L的NaCl溶液摩尔质量的海水进行测试，发现块体非晶合金疲劳裂纹强度显著增强，高出一般大气2-3个数量级。本次我们还分别在大气、水和海水中测试了不同的外部条件对疲劳裂纹扩展门槛值的变化，我们利用利用原位观察技术，分别在大气、水和海水中，精确捕捉获得材料裂纹扩展门槛值依次为1.4、1.2和0.8MPa·m1/2，属于逐级降低。

3 结束语

作为一种新型进口材料，块体非晶合金优良的化学及物理性能让其未来在各方面的应用中具有极大潜力，譬如航空航天领域、军事战事领域、精密机械领域、医疗领域、体育器材和高敏导磁器材等。但是，对于进口块体非晶态合金物理性能的研究还远不成熟， 基础相对薄弱，缺少一个系统的标准或定义来规范该材料的力学性能塑变过程，特别是现有理论难于解释不同化学成分的块体非晶合金表现出不同的机械性能，如不同的弹性、不同的塑性应变能力和加工硬化行为等，即便是对某一具体特性的剖析也还只是浅谈辄止，尚无系统全面的观点形成，这不但阻碍了对块体非晶合金材料结构性服役行为的分析和判定，也影响了我们对该进口合金材料的力学性能检测。对作为将来具体极大潜力的块体非晶态合金性能的研究，我们认为应该是今后的主流主导，因此我们可以预言，大量全新的块体非晶态合金物理性能研究，将带来新材料带来一次史诗般的变革，而对于该材料的物理性能检测研究也将伴随我们走过未来漫长的道路。

参考文献

[1]J.Schroers， W.L. Johnson. Ductile bulk metallic glass. Phys. Rev. Lett. 93 （2004） 255506.

[2]刘祖铭，刘咏，黄伯云，等.AlNiY合金粉末的超高压固结成形[J].粉末冶金技术，2008（2）.

[3]孙桂琴，喻晓军.非晶及纳米晶合金研究进展[J].金属功能材料，1999，6（4）：156-160.

作者简介：谢秋慧（1962，2-），男，浙江绍兴，现职称：上海检验检疫局党组成员、浦江出入境检验检疫局局长，学历：硕士，研究方向：管理。