Nb元素对Cu48Zr48Al4合金组织与性能的影响

梁维中,　李宗泽,　康志杰

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



Nb元素对Cu48Zr48Al4合金组织与性能的影响

梁维中,李宗泽,康志杰

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

以高纯铜锆金属母材为原料,采用铜模滴注的方法制备CuZr基非晶合金及其复合材料,并进行拉伸实验。利用扫描电镜、X射线衍射仪和扫描量热分析仪对Cu48Zr48Al4和Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金进行结构表征和拉伸性能分析。结果表明:Nb元素微量添加能够改变Cu48Zr48Al4合金的组织形貌。Cu48Zr48Al4合金为非晶复合材料,抗拉强度较小、塑性微弱,断口呈现树枝脉络;Cu44.8Zr48Al4Nb3.2为非晶合金,具有较大的抗拉强度,没有塑性,断口为单一的塑坑形貌;两种合金断口表面均存在熔化现象,样品侧表面形成较少的剪切带。该研究为实际生产CuZrAlNb非晶复合材料提供了基础数据。

非晶复合材料; 拉伸塑性； 组织形貌

块体非晶合金因具有高强度、高硬度的特点而受到研究者广泛关注[1],但是,此类合金非晶塑性较差,极大地限制了其工程应用。为了提高非晶合金的塑性,国内学者通过原位生成方法引入第二相,制备出非晶复合材料[2-5]。CuZrAl三元体系非晶块体具有较强的玻璃形成能力、优异的力学性能和低廉的成本,可应用到实际生产中。学者们先后成功制备出Cu46.25Zr44.25Al7.5Er2[6]、Cu46Zr46Ag8[7]、Cu48Zr48Al4[8]大块非晶复合材料。研究发现,B2-CuZr相对CuZr基非晶合金及其复合材料的塑性有一定影响,而Nb元素的添加会在一定程度上改变合金中B2-CuZr析出相的数量及形态。为此,笔者研究相同制备条件下Cu48Zr48Al4和 Cu44.8Zr48Al4Nb3.2两种合金的拉伸性能,分析Nb元素对Cu48Zr48Al4合金组织与性能的影响。

1　实验材料与方法

文中所用复合材料均采用铜模滴注的方法制备。Cu48-xZr48Al4Nbx(x=0、3.2)合金钮扣锭通过在Ti吸气的Ar气氛中电弧熔炼纯金属制备,金属纯度为99.9%。合金锭重熔四次以确保化学成分均匀。

棒材经线切割加工得到如图1所示的片状试样,线切割速度为0.9 mm/min,切割过程避免出现晶化现象。

图1　拉伸试样加工尺寸

切割后棒材依次采用74、15、10、4 μm砂纸磨掉拉伸试样表面切割痕迹,使用体积比为4∶1的高氯酸与冰醋酸配制的抛光液进行四次电解抛光,去除表面划痕,避免影响拉伸结果。抛光时采用液氮冷却,电解抛光电压22 V。拉伸实验采用Instron5569万能拉伸实验机,载荷传感器为20 kN,预加载荷130 N左右,拉伸速度为0.069 mm/min。

2　结果与分析

2.1结构表征

2.1.1显微组织形貌

图2为Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金横截面的光学显微组织形貌。Cu48Zr48Al4合金样品的表面显微组织具有大量晶体相,这些晶体相趋于连接,形成团簇状,分布在样品中心。从里向外团簇现象减弱,晶体析出相减少,最后在样品最外区形成一层宽度为150 μm的非晶带,如图2a所示，其中，白色箭头所指为非晶带。Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金样品显微形貌呈现非晶态特征,如图2b所示。图2说明向Cu48Zr48Al4体系中添加原子数分数为3.2% Nb元素,合金的晶化程度降低,呈现非晶形态。

图2　合金显微组织形貌

2.1.2XRD表征

图3为Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金XRD图谱。由图3可知,Cu48Zr48Al4合金具有明显的晶体特征,即存在晶体尖锐峰,晶体相为B2-CuZr和Al2Zr;当Nb原子数分数增加到3.2%时,晶体特征消失,形成具有非晶特征的漫散射峰。由XRD结果可知,3.2% Nb元素的加入同时抑制了B2-CuZr晶体相和Al2Zr晶体相的形成。

图3　Cu48-xZr48Al4Nbx合金XRD图谱

2.1.3DSC分析

图4为Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在20 K/min速率下升温的DSC曲线。

图4　Cu48-xZr48Al4Nbx合金DSC曲线

由图4可知,两种合金样品均存在玻璃转换过程及放热的晶化特征。Cu48Zr48Al4合金的放热峰较小,而Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金则存在明显的放热峰。放热峰的存在及大小证明了两种合金中均含有非晶成分,并且Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金的非晶含量明显大于Cu48Zr48Al4合金。DSC与XRD分析结果与显微组织形貌一致。

2.2拉伸性能

图5为Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金室温拉伸实验的应力-应变曲线。如图5所示,Cu48Zr48Al4合金的断裂应力为1 510 MPa,在弹性变形后发生微弱的塑性变形,变形量为0.7%; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在弹性变形后直接断裂,未发生塑性变形,断裂应力为1 853 MPa。在Cu48Zr48Al4合金中添加原子数分数为3.2% Nb元素,合金的断裂强度明显增加,微弱的拉伸塑性消失,说明Nb元素添加对Cu48Zr48Al4合金的拉伸塑性和断裂应力均产生影响。

图5　Cu48-xZr48Al4Nbx合金拉伸曲线

2.3拉伸断口形貌

图6为Cu48Zr48Al4合金的拉伸断裂样品扫描图像。由图6a可以看出,试样呈剪切断裂,剪切断裂角为35o,且能观察到少量水平方向的剪切带。放大图6a中Ⅰ区,发现B2-CuZr晶体相周围存在多条剪切带,但剪切带没有延伸到晶体相内部,且B2-CuZr晶体相在拉伸过程中未发生变形,如图6b白色虚线圆所示。由图6c可见,在不平整的断裂表面存在一些树枝状脉络特征,树枝状脉周围有一些小液滴存在。这是由于合金拉伸断裂时瞬间释放大量能量,温度升高,导致合金局部软化或流动,同时产生液滴。

图7为Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金的拉伸断裂扫描图像。由图7a可见,试样呈剪切断裂,断裂面不平整,剪切断裂角为45°,断裂样品侧表面未发现明显的剪切带。由图7b、7c所示，断裂表面亦可见许多不同的断裂平面,同时呈现出单一塑坑结构,放大后在脉络之间发现明显的微裂纹。

在室温拉伸实验中, Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48-Al4Nb3.2合金的断裂方式均为剪切断裂。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°,符合莫尔-库伦定律[9]。

图6Cu48Zr48Al4室温拉伸断口形貌

Fig. 6Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

在拉伸过程中, Cu48Zr48Al4合金及Cu44.8Zr48-Al4Nb3.2合金样品侧表面上形成数量较少的剪切带,说明拉伸断裂主要是剪切带起作用,因此不可能出现明显的宏观塑性变形[10]。

在Cu48Zr48Al4合金的拉伸断口表面发现树枝状脉络特征; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金中出现塑坑结构,同时上述合金断口表面都存在熔化的小液滴。这些特征可能是由于不同的显微结构在拉应力作用下断裂后形成的结果,为今后Cu-Zr-Al-Nb体系非晶合金及其复合材料的研究提供一定的借鉴。

图7　Cu44.8Zr48Al4Nb3.2室温拉伸断口形貌

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

3　结　论

(1)Cu48Zr48Al4合金中晶体相为B2-CuZr与Al2Zr晶体相。Cu48Zr48Al4合金中加入3.2% Nb元素,同时抑制了B2-CuZr与Al2Zr晶体相的形成。

(2)Nb元素添加改变了合金拉伸断裂强度和塑性变形量。Cu44.8Zr48Al4合金断裂强度为1 510 MPa,在弹性变形后发生微弱的塑性变形,变形量为0.7%; Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金在弹性变形后直接断裂,最大断裂强度为1 853 MPa,未发生塑性变形。

(3)Cu48Zr48Al4与Cu44.8Zr48Al4Nb3.2合金均发生剪切断裂,Cu48Zr48Al4合金断口表现为树枝状脉络特征, Cu44.8Zr48Al4Nb3.2呈现出塑坑结构形貌。两种合金拉伸断裂侧表面均形成数量较少的剪切带。

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(编辑荀海鑫)

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

国家自然科学基金项目(51371078);黑龙江省自然科学基金项目(A201103);黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531585)

梁维中(1966-)，女,辽宁省朝阳人,教授,博士,研究方向:非晶复合材料,E-mail:wzliang1966@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.03.006

TG113

2095-7262(2015)03-0256-05

A