Cu48Zr48Al4非晶复合材料的组织与拉伸性能

梁维中,　康志杰

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



Cu48Zr48Al4非晶复合材料的组织与拉伸性能

梁维中,康志杰

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

为探究非晶复合材料的组织及性能,采用铜模滴铸法制备了直径分别为2、3和4 mm的 Cu48Zr48Al4非晶复合材料棒材。应用金相显微镜进行显微组织观察,使用X射线衍射仪分析相组成,利用差热扫描量热仪进行晶化程度分析。通过万能拉伸试验机作拉伸实验,绘制应力-应变曲线,使用扫描电镜观察断口形貌,进行力学性能分析。结果表明:冷却速率影响Cu48Zr48Al4非晶复合材料的显微组织形貌和拉伸性能。直径2 mm Cu48Zr48Al4非晶复合材料组织非晶程度最大;直径3 mm Cu48Zr48Al4非晶复合材料断裂强度比直径4 mm样品大,其断口表面呈现树枝状脉络特征,样品侧表面存在较少的剪切带,属于剪切断裂;直径4 mm Cu48Zr48Al4非晶复合材料断口出现塑坑结构,样品侧表面剪切带不明显,呈现脆性断裂特征。该结果可以为控制冷却速率实际生产CuZrAl非晶复合材料提供理论依据。

非晶复合材料; 冷却速率; 显微组织形貌; 拉伸性能

0　引　言

块体非晶合金具有良好的物理、化学和机械性能[1-3]。但由于室温脆性和应变软化的特点[4],使其作为一种理想的工程材料受到严重限制[5]。CuZrAl非晶合金体系具有高强度、高玻璃形成能力和一定的可塑性[6],通过控制液体冷却速度原位生成纳米或微米结晶相是制备其复合材料的一种重要手段。最近, LIU等[7]在CuZr基非晶基体中原位生成了B2-CuZr,通过适当的冷却速度,B2-CuZr的奥氏体相结构被保留在非晶基体中。在变形过程中,可以形变诱发B2-CuZr相转变为B′19-CuZr马氏体结构,从而提高其塑性变形能力和加工硬化能力[8-10]。基于此,笔者在电流250 A制备条件下,通过改变冷却速度,研制三种不同直径的Cu48Zr48Al4非晶复合材料。分析不同直径的非晶复合材料的显微组织特征,探索其拉伸性能。

1　实验材料与方法

采用铜模滴铸方法制备Cu48Zr48Al4非晶复合材料。在高真空钨极电弧熔炼炉中,使用控制电流250 A。将纯度为99.9%的Cu、Zr、Al三种金属元素按原子百分比在Ti吸气的Ar气氛中熔合成母锭,再采用电磁搅拌方法将合金锭重熔四次以确保成分均匀。在Ar气保护下,将反复重熔的合金锭注入直径为2、3和4 mm的铜模中,制备出不同直径的Cu48Zr48Al4非晶复合材料棒材。将不同直径的棒材,通过线切割加工,得到狗骨形片状拉伸试样,尺寸为10 mm×1 mm×1 mm。加工过程中,控制加工速度和冷却条件,避免出现晶化现象。将拉伸试样依次采用37、15、10、4 μm的砂纸精磨,直到表面光亮如镜。采用高氯酸和冰醋酸体积比1∶4电解液进行三次电解抛光,彻底去除试样表面划痕。抛光时电压控制为22.2 V,同时采用液氮进行冷却。

样品的显微组织形貌采用Axio Oberver A1m型金相显微镜(OM)观察;相组成采用D8 ADVANCE型X射线衍射分析仪(XRD)表征,其特征波长λ=1.540 5×10-10m,使用Cu-K辐射;采用Pyris-1型(DSC)分析仪进行差示扫描量热分析;采用载荷传感器为20 kN的Instron5569万能拉伸试验机作拉伸实验,预加80 N载荷,加载速率为0.069 mm/min;断口形貌采用HELIOS NanoLab600i扫描电镜(SEM)分析。

2　结果与分析

2.1显微组织

2.1.1形貌观察

图1a～c分别是直径为2、3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料横截面的光学显微组织形貌。由图1a所示,Cu48Zr48Al4非晶复合材料表面微观组织的非晶基体中球形晶体相析出较少,晶体相大部分分布在样品中间部位,边缘没有出现,除个别晶体相尺寸较大外,其他晶体相尺寸大小相似且分布较均匀;与之相比,图1b所示的3 mm Cu48Zr48Al4非晶复合材料非晶基体的中间部位中分布大量晶体相,晶体相明显长大且团聚比较严重,边缘出现较少的晶体相;与两图相比,图1c所示的4 mm Cu48Zr48Al4非晶复合材料样品晶化较严重,除了边缘出现明显的非晶带外,其他部位由于晶体相的团聚及长大形成大片晶化区。说明随着冷却速率降低,Cu48Zr48Al4非晶复合材料的晶化程度增加。

图1　不同直径的显微组织形貌

2.1.2XRD分析

图2所示为直径为3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料XRD图谱。由图2可知,直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料不仅存在微弱的尖锐晶化峰特征,还出现非晶特征的漫散峰,并伴随着B2-CuZr晶体相的出现;直径为4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料则只存在尖锐的晶化峰特征,晶体析出相为B2-CuZr和Al2Zr;XRD结果表明,随着冷却速率的降低,Cu48Zr48Al4非晶复合材料析出B2-CuZr晶体相和Al2Zr晶体相数量越多,样品的晶化程度越明显。

图2　不同直径的XRD图谱

2.1.3DSC分析

图3为直径为2、3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料在20 K/min速率下升温的DSC曲线。由图3可以看出,三种非晶复合材料样品均存在正常玻璃转换过程及放热的晶化特征,其中直径4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料对应的放热峰较小。放热峰的存在说明Cu48Zr48Al4合金体系为非晶复合材料,其大小说明直径2 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料中所含非晶成分最大,4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料中所含非晶成分最小。

图3　不同直径的DSC曲线

2.2拉伸性能

图4为直径为3和4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料的室温拉伸实验的真实应力-应变曲线。如图4所示,直径为3 mm的Cu48-xZr48Al4非晶复合材料的断裂强度为711 MPa,只存在弹性变形,没有发生明显的塑性变形;直径为4 mm的Cu48-xZr48Al4非晶复合材料的断裂强度为571 MPa,同样在弹性变形阶段就直接断裂,没有发生塑性变形。由此可知,随着冷却速率的降低,Cu48Zr48Al4非晶复合材料的断裂强度明显降低,没有出现明显拉伸塑性。表明冷却速率对Cu48Zr48Al4非晶复合材料的拉伸力学性能影响较大。

图4　不同直径应力-应变拉伸曲线

Fig. 4Stress-strain tensile curves with different diameters

2.3拉伸断口形貌

图5为直径3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料的拉伸样品断口扫描图像,其中图5a为侧面宏观形貌,图5b为侧面局部放大形貌,图5c为拉伸断裂表面放大形貌。如图5a所示,加载方向和剪切方向的夹角为72o,样品呈典型的剪切断裂特征,进一步放大图5a白色箭头所指区域见图5b,可以看到少量水平方向的剪切带,如图5b白色箭头所示;图5c可以看出,断口表面呈树枝脉状条纹,脉状条纹局部存在一些熔融液滴。这可能是样品断裂瞬间局部能量集中,由于温度过高导致样品表面局部软化或流动造成的。

图6为直径4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料的拉伸样品断口扫描图像,图6a可以看出,试样断裂面较平整,体现脆性断裂特征。在样品局部侧表面发现B2-CuZr晶体相周围存在细小剪切带,剪切带在晶界处中断,如图6b白色虚线圆和白色箭头1所示,还有一些明显的裂纹且多呈沿晶扩展,如图6b白色箭头2所示。图6c所示的断裂局部表面呈现一些塑坑,脉络条纹不是很明显,出现大的B2-CuZr晶体相,如图白色箭头所示。

图5　Cu48Zr48Al4室温拉伸断口形貌

Fig. 5Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

在室温拉伸实验中,直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料的断裂方式为剪切断裂,加载方向和剪切方向的夹角为72°,符合合莫尔-库伦定律[11],样品侧表面上形成较明显剪切带,拉伸过程中剪应力起主要作用;直径为4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料的断裂方式为脆性断裂,样品侧表面上形成剪切带数量较少,呈现少量裂纹,拉伸过程中正切力起主要作用。

直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料,拉伸断口表面发现树枝状脉络条纹;直径为4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料,出现塑坑结构。断口形貌的不同,说明样品制备过程中冷却速率对同一成分样品的显微结构影响很大。

图6　Cu48Zr48Al4室温拉伸断口形貌

Fig. 6Tensile fracture images of Cu48Zr48Al4alloy at room temperature

3　结　论

(1)直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料中晶体析出相为B2-CuZr。直径4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料中晶体析出相为B2-CuZr与Al2Zr晶体相。冷却速率降低,促进了B2-CuZr与Al2Zr晶体相的形成,使基体晶化越严重。

(2)冷却速率改变了非晶复合材料的拉伸断裂强度。直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料断裂强度为711 MPa,直径为4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料断裂强度为571 MPa,非晶复合材料没有发生塑性变形。

(3)直径为3 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料发生剪切断裂,断口呈树枝状脉络特征,直径为4 mm的Cu48Zr48Al4非晶复合材料发生脆性断裂,断口出现塑坑结构形貌。

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(编辑徐岩)

Effect of cooling rate on microstructure and tensile properties of bulk metallic glass composites

LIANGWeizhong,KANGZhijie

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

This paper is an effort to investigate the microstructure and properties of amorphous composite materials. This investigation does so by preparing Cu48Zr48Al4amorphous composite rods with diameters of 2, 3 and 4 mm by using copper casting; observing their microstructures by optical microscope, analyzing the phase composition by X-ray diffraction(XRD), and checking the crystallization degree by Differential Scanning Calorimetry(DSC); performing the mechanical tests on the universal tensile machine, and analyzing the properties by plotting the stress-strain curves and observing the fracture morphologies by SEM. The results show that the cooling rate exerts an effect on the microstructure and tensile properties of Cu48Zr48Al4amorphous composites; the microstructure of Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameter of 2 mm presents the largest degree of amorphous feature; the Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameters of 3 mm exhibits a greater fracture strength than that of the diameter of 4 mm, and a dendritic structure occurring on the fracture surface, and a few shear bands, known as shear fracture mode, observed on the side surface of the sample; and the Cu48Zr48Al4amorphous composite rod with diameter of 4 mm exhibits a large number of dimple structures, and shear bands of brittle fracture mode found not obvious on the side surface of the sample. The results may provide a theoretical basis for practical production of CuZrAl amorphous composite by controlling cooling rates.

bulk metallic glass composite; cooling rate; microstructure; tensile properties

2015-08-14

梁维中(1966-),女,辽宁省朝阳人,教授,博士,研究方向:非晶合金的断裂行为,E-mail:wzliang1966@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.008

TG139.8

2095-7262(2015)05-0501-05

A