铸态内生塑性晶体相_大块金属玻璃基体复合材料.pdf

第5 9 卷第2 期 2 0 07 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．2 M a v2 0 07 铸态内生塑性晶体相／大块金属玻璃基体复合材料 张 妍1 ，陈 刚2 1 ．内蒙古工业大学，呼和浩特0 10 0 5 1 ；2 ．内蒙古电机厂，呼和浩特0 10 0 10 摘 要在分析单相B M G 典型力学行为的基础上，综述内生塑性晶体相／B M G 复合材料的微观组织的形成机制、塑性晶体 相对复合材料室温塑性影响以及制备状态对晶体相微观组织及复合材料室温塑性的影响等方面的研究成果。 关键词金属材料；大块金属玻璃复合材料；综述；微观组织；室温塑性 中图分类号T B 3 3 1 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 3 5 0 6 近十多年来，大块金属玻璃 B M G 越来越引起 关注，这不仅是由于其在基础研究方面的重要地位， 更是由于其独特的力学性能，包括大的弹性极限 2 ％～3 ％ 和高的强度 直到2 G P a 以及近年来一 系列具有大的玻璃形成能力 G F A 新型多组元 B M G 合金体系的开发，使得人们可以通过传统的铸 造方法制备出大尺寸的金属玻璃试样1 1 _ 3J 。然而 一般来说，单相B M G 在压缩时仅表现出有限的塑 性流变 0 ～％ ，拉伸时室温下几乎没有什么塑性 应变产生L 2J 。这导致了其在缺乏室温宏观塑性的 情况下发生灾难性失效，限制了B M G 作为结构材 料的应用。 为了改善其室温塑性，近年来在B M G 中引入 晶体相方面作了大量的研究- 4 ．6J ，并导致了一类新 型材料B M G 复合材料的诞生。B M G 复合材料 的制备包括内生复合和外加复合两种方法。由于内 生复合材料的晶态相和玻璃基体在凝固期间同时生 成于复合材料之中，低能量的界面导致了二者牢固 而稳定的结合，使得材料的力学性能变得更好r7 | 。 因此在迄今所开发的B M G 基复合材料中，通过内 生的方法制备出含有微米尺度塑性晶体相的B M G 复合材料看来是最具发展前景的。在简要分析了单 相B M G 典型力学行为的基础上，主要讨论了内生 塑性晶体相／ B M G 两相微观组织的形成机制、塑性 晶体相对B M G 复合材料室温塑性的影响以及制备 状态对晶体相微观组织特性及复合材料塑性的影响 等重要的科学问题。 收稿日期2 0 0 5 1 0 3 1 基金项目内蒙古自治区高等学校科学研究项目 N J 0 5 0 5 6 。 作者简介张妍 1 9 6 3 一 ，女，满族，河北沧州市人，副教授，主要 从事大块金属玻璃的制备与性能等方面的研究。 1单相大块金属玻璃典型的力学行为 图1 显示了典型B M G 的拉伸断裂强度、维氏 硬度与杨氏模量的关系L 8J 。为了比较，图中也列出 了部分传统晶态合金的有关结果。可以看出，与传 统的晶态合金比较，B M G 具有高得多的强度、硬度 以及低得多的杨氏模量。 图1 典型B M G 的拉伸断裂强度、维氏硬度 与杨氏模量的关系旧1 F i g ．1R e l a t i o n s h i po ft e n s i l ef r a c t u r es t r e n g t ha n dV i c k e r s h a r d n e s s H v t OY o u n g ’sm o d u l u sf o rt y p i c a lB M G s B M G 在具有上述优越的力学性能的同时，面临 着的一个问题就是大的室温脆性。图2 是被称之为 V i t r e l o y1 合金 简称V 1 合金 的Z r 4 1 ．2 T i l 3 ．8 C u l 2 ．5 N i l o B e 2 2 ．5B M G 在室温准静态单轴拉伸与压缩时的 应力一应变曲线旧J 。可以看出，在室温单轴压缩时， 合金仅表现出非常有限的塑性流变，而单轴拉伸时 万方数据 3 6有色金属 第5 9 卷 几乎没有宏观塑性变形就失效。 3 0 0 0 K ，接下来的感应熔炼不能将存在于母合金铸 锭中的口一T a 熔化。因此一般来说，这些p T a 不具有 发达的树枝形态，而呈现出拉长的椭球形或短小的 板条状。 图6 是含有固溶体的 Z r 7 0 N i l o C u 2 0 8 2 氏～1 0 B M G 复合材料的显微组织和室温应力一应变曲线[ 2 | 。 可以看出，口一T a 固溶体没有表现出发达树枝的形貌， 复合材料的室温压缩塑性应变超过了1 5 ％。 图6 Z r 7 0 N i l o C u 2 0 8 2 T a 8 A 1 1 0B M G 复合材料的微观 组织和室温压缩应力．应变曲线[ 2 ] F i g ．6 M i c r o s t r u c t u r ea n dr o o mt e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e s s s t r a i nc u r v e so f Z r 7 0 N i l o C u 2 0 8 2 T a 8 A I l oB M Gc o m p o s i t e 图7 是含有卢一T a 固溶体颗粒的 C u 0 ．6 H f o ．2 5 T i o ．1 5 9 4 T a 6B M G 基体复合材料的室温压缩应力一应 变曲线[ 17 | 。可以看出，其室温压缩塑性变达到了 3 4 ％，被认为是迄今具有最大室温压缩塑性应变的 晶体相／B M G 复合材料。 3结语 改善B M G 的塑性和韧性将直接推动B M G 在 实际工程领域的应用。这一方向的研究，已经成为 当今世界各国B M G 合金研究与开发的热点。自从 H a y s 等首次制备出内生塑性晶体相／B M G 复合材 料以来，在短短的5 年多时问里，研究人员相继在多 种合金系中成功地开发出了这种具有两相微观组织 的复合材料。与此同时，该技术也被成功地应用于 改善纳米结构材料的室温塑性。此外，塑性大块金 属玻璃 D u c t i l eb u l km e t a l l i cg l a s s 也已经被成功地 开发出来。这些都是B M G 及其复合材料极其重要 的研究方向。 万方数据 第2 期张妍等铸态内生塑性晶体相／大块金属玻璃基体复合材料3 9 参考文献 应变e 1 ％ 真应变￡，％ 图7含有卢T a 的 C u o ．6n f o ．2 5 T i o ．1 5 9 4 T a 6B M G 复合 材料的室温压缩应力．应变曲线1 1 7 3 F i g ．7 R o o mt e m p e r a t u r ec o m p r e s s i v es t r e s s s t r a i nc u r v e 塔o f c u 0 ．6M r 0 ．2 5 T i o ．1 5 9 4 T a 6B M Gc o m p o s i t ec o n t a i n i n g 』9 一T ap a r t i c l e s [ 1 ] H uX ，N gSC ，F e n gYP ，e ta 1 ．G l a s sf o r m i n ga b i l i t ya n di n - s i t uc o m p o s i t ef o r m a t i o ni nP db a s e db u l km e t a l l i cg l a s s e s [ J ] ．A c t aM a t e r ，2 0 0 3 ，5 1 2 5 6 1 5 7 2 ． [ 2 ] F a nC ，O t tRT ，H u f n a g e lTC ．M e t a U i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t ew i t hp r e c i p i t a t e dr e i n f o r c e m e n t [ J ] ．A p p lP h y sL e t t ，2 0 0 2 ，8 1 6 1 0 2 0 1 0 2 2 ． [ 3 ] E c k e r tJ ，K f i h nU ，M a t t e r nN ，e ta 1 ．S t r u c t u r a lb u l km e t a l l i cg l a s s e sw i t hd i f f e r e n t s c a l eo fc o n s t i t u e n tp h a s e s [ J ] ．I n t e r ． m e t a l l i c s ，2 0 0 2 ，1 0 1 1 ／1 2 1 1 8 3 1 1 9 0 ． [ 4 ] F a nC ，L iCF ，I n o u eA ．D e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fZ r ．b a s e db u l kn a n o c r y s t a U i n ea m o r p h o u sa l l o y s [ J ] ．P h y sR e vB ，2 0 0 0 ，6 1 6 R 3 7 6 1 ～3 7 6 3 ． [ 5 ] C o n n e rRD ，D a n d l i k e rRB ，J o h n s o nWL ． M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t u n g s t e na n ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e d Z r 4 1 ．2 T i l 3 ．8 C u l 2 ．5 N i l 0 B e 2 2 ．5m e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 8 ，4 6 1 7 6 0 8 9 6 1 0 2 ． [ 63H a y sCC ，K i mCP ，J o h n s o nWL ．M i c r o s t r u c t u r ec o n t r o l l e ds h e a rb a n dp a t t e r nf o r m a t i o na n da n h a n e e dp l a s t i c i t yo fb u l k m e t a l l i cg l a s s e sc o n t a i n i n gi ns i t uf o r m e dd u c t i l ep h a s ed e n d r i t ed i s p e r s i o n s [ J ] ．P h y sR e vL e t t ，2 0 0 0 ，8 4 5 2 9 0 1 2 9 0 4 ． [ 7 ] T a n gH ，Z h a n gY ，H uX ，e ta 1 ．S y n t h e s i so fc r y s t a l l i n ep h a s er e i n f o r c e db u l km e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e si nL aa n dP d b a s e da l l o y s [ J ] ．A n nC h i mS c iM a t ，2 0 0 2 ，2 7 2 1 1 9 1 2 4 ． [ 8 ] W a n gWH ，D o n gC ，S h e kCH ．B u l km e t a l l i cg l a s s e s [ J ] ．M a t e rS e iE n g ，2 0 0 4 ，R 4 4 2 ／3 4 5 8 9 ． [ 9 jB r u c kHA ，C h r i s t m a nT ，R o s a k i sAJ ，e ta 1 ．Q u a s i s t a t i cc o n s t i t u t i v eb e h a v i o ro fZ r 4 1 ．2 T i l 3 ．8 C u l 2 ．5 N i l 0 B e 2 2 ．5b u l k a m o r p h o u sa l l o y s [ J ] ．S c r i p t aM e t a l l u r g i c ae tM a t e r i a l i a ，1 9 9 4 ，3 0 4 4 2 9 4 3 4 ． [ 1 0 ] L f i l e rJF ．B u l km e t a l l i cg l a s s e s [ j ] ．I n t e r m e t a l l i c s ，2 0 0 3 ，n 6 5 2 9 5 4 0 ． [ 1 1 ] M aE ．N a n o e r y s t a l l i n em a t e r i a l sc o n t r o l l i n gp l a s t i ci n s t a b i l i t y [ J ] ．N a t u r em a t e r ，2 0 0 3 ，2 9 7 8 ． [ 1 2 ] H u f n a g e lTC ，F a nC ，O t tRT ，e ta 1 ．C o n t r o l l i n gs h e a rb a n db e h a v i o ri nm e t a l l i cg l a s s e st h r o u g hm i c r o s t r u c t u r a ld e s i g n [ J ] ． I n t e r m e t a l l i c s ，2 0 0 2 ，1 0 1 l ／1 2 1 1 6 3 1 1 6 6 ． [ 1 3 ] L e eJC ，K i mYC ，A h nJP ，e ta 1 ．E n h a n c e dp l a s t i c i t yi nb u l ka m o r p h o u sm a t r i xc o m p o s i t e m a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i c v i e w p o i n ts t u d i e s [ J ] ．A c t aM a t e r ，2 0 0 5 ，5 3 4 1 2 9 1 3 9 ． [ 1 4 ] C h o i Y i mH ，J o h n s o nWL ．B u l km e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．A p p lP h y sL e t t ，1 9 9 7 ，7 1 2 6 3 8 0 8 3 8 1 0 ． [ 1 5 ] K a h nU ，E c k e r tJ ，M a t t e r nN ，e ta 1 ．z r N b C u N i A Ib u l km e t a l l i cg l a s sm a t r i xc o m p o s i t e sc o n t a i n i n gd e n d r i t i cb c cp h a s ep r e c i p i t a t e s [ J ] ．A p p lP h y sL e t t ，2 0 0 2 ，8 0 1 4 2 4 7 8 2 4 8 0 ． [ 1 6 ] B i a nZ ，A h m a dJ ，Z h a n gW ，e la 1 ．I ns i t uf o r m e d C u 0 ．6 Z r 0 ．2 5 T i 0 ．1 5 9 3 N b 7b u l km e t a l l i cg l a s sc o m p o s i t e s [ J ] ．M a t e r T r a n s ，2 0 0 4 ，4 5 7 2 3 4 6 2 3 5 0 ． [ 17 ] Q i nCL ，Z h a n gW ，K i m u r aH ，e ta 1 ．E x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fC u - H f - T i T ab u l kg l a s s ya l l o y sc o n t a i n i n gI n s i t ud e n d r i t eT a b a s e dB C Cp h a s e [ J ] ．M a t e rT r a n s ，2 0 0 4 ，4 5 9 2 9 3 6 2 9 4 0 ． [ 1 8 ] S z u e c sF ，K i mCP ，J o h n s o nW L ．M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fZ r 5 6 ．2 T i l 3 ．8 N b 5 ．0 C u 6 ．9 N i 5 ．6 B e l 2 ．5d u c t i l ep h a s er e i n f o r c e d b u l km e t a l l i cg l a s sc o m p o s i t e [ J ] ．A c t aM a t e r ，2 0 0 1 ，4 9 9 1 5 0 7 1 5 1 3 ． 11 9 ] H a y sCC ，K i mCP ，J o h n s o nWL ．I m p r o v e dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fb u l km e t a l l i cg l a s s e sc o n t a i n i n gi n s i t uf o r m e dd u c t i l e ￡至，DR谢出 “ 肼 姒 3 2 ● ￡苫龟穴遵趟 万方数据 4 0 有色金属 第5 9 卷 p h a s ed e n d r i t ed i s p e r s i o n s [ J ] ．M a t e rS c iE n g ，2 0 0 1 ，A 3 0 4 3 0 6 5 6 5 0 6 5 5 I nS i t uF o r m e dD u c t i l eC r y s t a l l i n eP h a s e s ／B M GC o m p o s i t e sa sC a s t Z H A N GY a h1 ，C H E NG a n 9 2 1 ．I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H u h h o t0 1 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 ．I n n P rM o n g o l i aE l e c t r i c a lM a c h i n eF a c t o r 3 , ，H u h h o t0 1 0 0 1 0 ，C k i n a A b s t r a c t T h er e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n t so nt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fm i c r o s t r u c t u r eo f i ns i t uf o r m e dd u c t i l ec r y s ‘ t a l l i n eD h a s e s ／B M Gc o m p o s i t e s ，t h ee f f e c to fd u c t i l ec r y s t a l l i n ep h a s e so nr o o mt e m p e r a t u r ep l a s t i c i t yo f t h e c o m p o s i t e s ，a n dt h ee f f e c to fp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so nm i c r o s t r u c t u r eo fc r y s t a l l i n ep h a s e sa n dr o o mt e m p e r a t u r e p l a s t i c i t yo ft h ec o m p o s i t e sa r er e v i e w e db a s e do nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft y p i c a lB M G ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ； b u l km e t a l l i cg l a s sc o m p o s i t e ；r e v i e w ；m i c r o s t r u c t u r e ； r o o mt e m p e r a t u r e p l a s t i c i t y ⋯一- ～～一～⋯⋯⋯ ～一 ，，，_ V v v v ～～～～ ， ，p p p 。，，V u V V 、，V V V ～～～ p ，- p √、，V V u u V 、，V V 一 ．匕接第1 7 页，C c } n t i n u e df r o mP ．1 7 F r e eE n e r g yC a l c u l a t i o no fA I L iA l l o yi nE x t e r n a lE l e c t r i cF i e l d L I UX i a ，C H E NZ h e n g ，Z H A N GJ i a n - 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