添加微量金属元素对非晶合金性能的影响探讨

刘捷

摘 要：本研究以（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy的力学性能与玻璃形成能力当作考察指标，主要对添加微量金属元素影响非晶合金性能的相关机制进行分析与探讨。研究表明，微量金属元素的添加能够在很大程度上影响着非晶合金的力学性能。

关键词：金属元素；非晶合金；压缩塑性；影响

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.030

非晶合金原子排列长程无序、短程有序，并没有晶界、位错等不足，其物理、力学以及化学性能与晶态合金相比更为优越，具体表现为高硬度、高强度、软磁性以及耐腐蚀性等。但是，非晶合金应变软化与室温脆性能力比较差，由此就限制了该材料用于结构材料的范围[1]。本研究以（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy的力学性能与玻璃形成能力当作考察指标，主要对添加微量金属元素影响非晶合金性能的相关机制进行分析与探讨。

1 实验材料与方法

1.1 材料

该实验的研究对象为（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy，y表示元素质量百分比，99.9%的金属纯度，M表示Ga、Fe以及Sn。所用实验设备包括液压控制系统试验机、高真空熔炼电弧炉以及X射线衍射仪。

1.2 方法

首先，通过高真空熔炼电弧炉对非晶合金进行制备。先根据（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy内不同元素百分比对各金属进行配料，精确所称取元素质量至0.0001g，再讲配料置于电弧炉，电弧熔炼获得母合金，在熔炼过程中，通过钛锭对母合金被氧化与否进行检验，为保证母合金有着均匀的成分，必须熔炼超过3次；其次，通过X射线衍射仪监测所得物质成分，对添加微量元素影响非晶合金的相关机制进行研究，先处理非晶棒表面，制成XRD样品，再选择CU靶Ka扫描，扫描角度为20～80°，依照衍射峰PDF卡明确物相，若扫描谱图呈现弥散峰，而且不存在晶化峰，那么此合金属于非晶态，如果晶化峰比较尖锐，则需要对其物相成分进行再次确认[2]；再次，为降低实验误差率，需要重复两次实验。从尺寸不同非晶棒中切割尺寸相同的非晶棒，力学性能长径比保证在2：1，再通过模具打磨固定试样，确保两端面平衡度。测试压缩试样之前，需要进一步打磨抛光，以降低试样表面因素影响实验结果的程度。

2 实验结果

掺杂其它微量元素一方面可对非晶合金非晶形成能力产生显著影响，另一方面也能够导致非晶合金力学性能发生变化。所以，基于现有体系，加入其它微量元素对其影响非晶合金力学性能的相关机制进行考察。采用（Cu50Zr50）96Al4与（Cu50Zr50）94Al6，并加入Ti与Fe等微量元素，对微量元素对合金力学性能产生的影响进行考察。从表1可以看出，将1%Fe与0.5%Fe分别加入在3mm直径的（Cu50Zr50）96Al4合金内部，会直接降低合金的断裂强度与屈服强度，特别是塑性，从最初的23%降低到大约7%。而将2%Ti与1%Ti加入在3mm直径的（Cu50Zr50）96Al4合金内部，则会降低合金的力学性能，特别是合金压缩塑性，该情况可能和合金结构属于全非晶存在相关性。所以，加入微量的Ti与Fe会导致（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金力学性能的下降。

从图1与表2中可以看出，相对（Cu50Zr50）96-yAl6My非晶合金系而言，吸铸直径在5mm的情况下，将0.5%的Fe添加进去后，会在某种程度上提升本合金塑性，而且会明显提升合金屈服强度，该情况可能与B2-CuZr含量减少相关，但是在加入2%Ti、1%Ti与1%Fe等微量元素后，尽管提升了非晶合金的屈服强度，然而，其加工硬化能力与塑性功能卻比较差。

总而言之，将微量的金属元素添加在非晶合金（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy内，在x=4时，添加微量元素Ti与Fe会导致合金力学性能的下降，不管是压缩塑性或者是屈服强度均有所降低。在x=6时，添加0.5%Fe会使合金屈服强度得到很大程度的提升，也相应提升了合金的压缩塑性，而在加入定量Ti与1%Fe之后，尽管非晶合金屈服强度有所提升，但是却具有较差的塑性，所以其综合力学性能得到很大程度的下降。

3 总结

总而言之，将微量金属元素添加在（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy内，能够在很大程度上改变非晶合金的力学性能，将1%Fe与0.5%Fe分别加入在3mm直径的（Cu50Zr50）96Al4合金内部，会直接降低合金的断裂强度与屈服强度，特别是塑性，从最初的23%降低到大约7%。而将2%Ti与1%Ti加入在3mm直径的（Cu50Zr50）96Al4合金内部，则会降低合金的力学性能，特别是合金压缩塑性，该情况可能和合金结构属于全非晶存在相关性。吸铸直径在5mm的情况下，将0.5%的Fe添加进去后，会在某种程度上提升本合金塑性，而且会明显提升合金屈服强度，加入2%Ti、1%Ti与1%Fe等微量元素后，尽管提升了非晶合金的屈服强度，然而，其加工硬化能力与塑性功能却比较差。综上所述，微量金属元素的添加能够在很大程度上影响着非晶合金的力学性能。

参考文献：

[1]吴霖，李山东.微量Mn元素对La62Al14Cu24块体非晶合金形成能力的影响[J].金属功能材料，2010，17（02）：5-7.

[2]涂建新.生物医用可降解镁基大块非晶合金的制备及其表面微弧氧化改性[D].深圳大学，2017.