热处理对Cu50Zr42Al8块状非晶力学性能的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 3 3 热处理对C u 5 0Z r 4 2A 1 8 块状非晶力学性能的影响 寇生中1 ’2 ，李春燕1 ’2 ，厚阿红1 ，岳武1 I ．兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．甘肃省有色金属新材料国家重点试验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要采用铜模吸铸法成功制备了C u 。Z r 。A 1 s 块状非晶，用纳米压痕法研究了铸态和低于玻璃化转变 温度 T g 退火后试样的力学性能，等温退火后试样的塑性增加而硬度和弹性减小。 关键词铜基块状非晶；铜模吸铸；力学性能；纳米压痕法 中图分类号T B 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 4 ～0 0 3 3 0 3 E f f e c to fH e a tT r e a t m e n to nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f C u 5 0Z r 4 2A 1 8B u l kA m o r p h o u sA l l o y K O US h e n g - z h o n g ，L IC h u n y a n ，H O UA h o n g ，Y U EW u 1 ．C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v ．o fT e e h ．，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b ．o fA d v a n c e dN e wN o n - f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s 。G a n s up r o v i n c e ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb u l ka m o r p h o u sa l l o y so fC u s oZ r , 2A 1 8w e r ep r e p a r e db yc o p p e rm o l ds u c t i o n c a s t i n gp r o c e s s ． T h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yn a n o i n d e n t a t i o nt e c h n i q u ei na s c a s ta n d s t a t ea n n e a l e db e l o wg l a s st r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e T g ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h eh e a tt r e a t m e n tm a k e t h ep l a s t i c i t yi n c r e a s eo b v i o u s l y ，w h i l ee l a s t i c i t ya n dh a r d n e s sr e d u c er e s p e c t i v e l y ． K e y w o r d s C u b a s e db u l km e t a l l i cg l a s s ；C o p p e rm o l ds u c t i o n - c a s t i n g ；M e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；N a n o i n d e n t a t i o n 2 0 世纪9 0 年代末，日本东北大学的I n o u e [ 1 ] 和 美国加州理工大学的W i l l i a mJ o h n s o n [ 2 ] 相继开发 出了有较大的玻璃形成能力的铜基块状非晶合金， 该合金有超高强度和高硬度等优异的力学性能[ 3 ] 。 与贵金属基块状非晶比较，由于成本低廉被认为具 有很好工程应用前景，在材料研究领域引起了广泛 的关注r 4 。。本文研究退火工艺对C u 。。Z r ；。A 1 。的组 织结构和力学性能的影响。 1试验方法 采用铜模吸铸法成功地制备了长8 0 ～1 0 0 m m 、直径4m m 的C u 5 0 Z r 4 2 A 1 8 块状非晶试样，在低 于玻璃化转变温度 T g 的不同温度下进行保温1 h 的等温退火处理。用X 射线衍射 X R D 、扫描电镜 S E M 和纳米压痕法对铸态和热处理态试样的组 织结构和力学性能进行了分析研究。 2 试验结果及讨论 铸态试样的X 射线衍射结果只有一个“驼峰” 图1 ，没有与结晶相对应的衍射峰，表明制备的 C u 。。Z r ；。A 1 。铸态试样为完全非晶结构[ 5 ] 。由非晶 合金的D S C 曲线可以得知该合金的玻璃转变温度 T 。、起始晶化温度T 。分别为7 2 3K 和7 7 3K ，过冷 度液相区温度A T T 。一T 。一5 0K ，结果表明该合 金有较高的玻璃转变温度和较大过冷液相区，表明 该合金有较强的非晶形成能力[ 6 ’7 ] 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 1 0 1 6 和重点实验室基金项目 S H L 0 3 0 0 2 作者简介寇生中 1 9 6 2 一 ，男，甘肃秦安人，博士，教授 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 2 0 1 。 图1C u ，o Z r 4 2 A 1 8 合金的X R D 图 F i g ．1X R Dp a t t e r no fa sc a s tC u s oZ r 4 2A 1 8a l l o y 图2 为纳米压痕法得到的C u 。。Z n A 1 。块状非 晶合金的塑性变形量和硬度与温度的关系曲线，表 明在玻璃转变温度T 。之下不同温度等温退火后， 试样的塑性增加而硬度减小。退火 驰豫 条件下原 子的热运动增强，促进了原子局部构型的重新调整， 从而使内应力松弛，因此抵抗变形的能力下降，硬度 也就减小，而塑性变形能力相应地提高[ 8 ] 。 3 0 03 5 04 0 04 5 05 5 5 06 0 06 5 0 T e m p e r a t u r e ／K 图2 退火温度对C u s 。Z r 。A I 。块状非晶合金的 塑性变形量和硬度的影响 F i g ．2 I n f l u e n c eo fa n n e a l e dt e m p e r a t u r eo n t h ep l a s t i cd e p t ha n dh a r d n e s so f C U S oZ r 4 2A 1 8b u l ka m o r p h o u sa l l o y 图3 为弹性模量随退火温度的变化曲线，表明 在4 0 0K 退火后，C u ；。Z r 。A I 。块状非晶合金的弹性 模量有一定的增加。当退火温度增加到4 7 5K 时， 其弹性模量又大幅度地减小，当退火温度进一步升 至6 0 0K 后，又开始缓慢增加。总体而言，在低于晶 化温度退火时，弹性模量随温度的升高而降低。 1 4 5 1 4 0 1 3 5 1 3 I 1 2 5 目1 2 0 D 一 塞1 1 5 1 1 0 1 0 5 1 0 0 9 5 9 【} 3 0 03 5 04 0 04 5 05 X 5 5 0H X 6 5 0 T e m p e r a t u r e t K 图3 退火温度对C u 5 。Z r 4 A I 。块状非晶 合金的弹性模量的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fa n n e a l e dt e m p e r a t u r e o ne l a s t i c i t ym o d u l u so fC u s oZ r 4 2A 1 8 b u l ka m o r p h o u sa l l o y ．为说明C u 。。Z r 。。A 1 。块状非晶合金在不同温度 热处理后力学性能的变化，用X 射线衍射对铸态与 退火后的试样进行对比分析。结果如图4 所示， C u 。。Z r 。。A 1 。块状非晶合金淬火态和4 0 0K 等温退 火1h 后没有明显的晶体的衍射峰出现，说明虽然 非晶内部有弛豫现象发生，尚未有明显的晶体析出， 试样仍为非晶合金。4 7 5K 等温退火1h 后，有晶 体的衍射峰出现，析出相为C u ，。Z r ，。6 0 0K 等温退 火1h 后，C u 。。Z r ，相析出较多，并且衍射峰的强度 明显增加，说明晶体的体积分数不断增加，析出相仍 然为C u 。。Z r ，，而且没有发现其它相析出。 ■ 南≮矿布叫矿南吲广喝} 2 0 ／ 。 图4 不同温度下等温退火后C u 。。Z r 。z A I s 块状非晶合金的X R D 图 F i g ．4 X R Dp a t t e r n so fC u s oZ r 4 2A 1 8 b u l ka m o r p h o u sa l l o ya td i f f e r e n t a n n e a l e dt e m p e r a t u r e 图5 分别是铸态和4 7 5K 退火1h 试样的显微 组织 6 0 ％硝酸侵蚀 。结果表明，铸态试样的表面 目山o／s∞upJd工 S O 5 O S 0 5 O 5 O 咖 蝴 蝴 蝴 ㈣ 蝴 | 耋 彻 窖c，q苞等邕_篙Id 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 3 5 均匀分布着尺寸为数微米的蚀坑；在4 7 5K 等温退 火1h 后，除基体中有大量的尺寸比较细小的白色 析出相外，还有少量的尺寸比较大的环岛状的析出 相。结合X 衍射的结果，两种不同形状的析出相为 应为C u l o Z r 7 。 图5 ，C ‰Z r 4 仙块状非晶铸态 a 和4 7 5K 退火1h b 试样的微观组织 F i g ．5 M i c r o s t r u c t u r eo fa sc a s t a a n da n n e a l e da t4 7 5Kf o r 1h b o fC u s o Z r 4 2 A 1 8b u l ka m o r p h o u sa l l o y 3结论。 1 用冷坩埚 铜幞吸铸法成功制备了直径 4 ．5m m 、长度8 0 ～1 0 0m m 的C u 5 0 Z r 4 2 A 1 8 的块体 非晶合金圆棒试样，x 射线衍射表明完全是非晶结 构； 2 C u s 。Z r 。。A l s 块状非晶合金在4 0 0K 退火 1h 后，可以得到良好的塑性、弹性和较高的硬度； 3 4 7 5K 退火1h 后，非晶基体中有C u ，。Z r ， 晶体相析出，6 0 0K 退火1h 后，非晶基体中有较多 的C u 。。Z r ，胞状晶体相析出。 参考文献 [ 1 ] A k i h i s aI n o u eB u l ka m o r p h o u sa l l o y s P r e p a r a t i o na n d F u n d a m e n t a lC h a r a c t e r i s t i c s ．[ M ] ．T r a n sT e c hP u b l i c a t i o n sI ，t d ．．1 9 9 8 ． [ 2 ] 孙剑飞，陈德明，沈军，等．Z r 基大块非晶的制备及其力 学性能E J ] ．固体火箭技术，2 0 0 2 ，2 5 4 5 6 5 8 ． [ 3 ] 寇生中，冯柳，丁雨田，等．高强度C u 基块状非晶合金的 最新研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 3 ，1 7 2 4 2 2 4 5 ． [ 4 3 孔见，陈光，王志华，等．C m ，T i 。。Z r l l w i 8 块体非晶合金的 热稳定性和力学性能[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 4 ，1 4 9 1 5 8 5 1 5 8 9 ． [ 5 ] 孔见，陈光．C u 4 ，T i 。。Z r ，，N i s 块体非晶合金的制备[ J ] ． 特种铸造及有色合金，2 0 0 3 6 1 1 1 3 ． [ 6 ] Y UP ，B A IHY ，T A N GMB ，e ta 1 ．E x c e l l e n tg l a s s f o r m i n ga b i l i t yi ns i m p l ec u 5 0Z r 5 0 b a s e da l l o y s [ J ] ．J o u r n a lo fN o n - C r y s t a l l i n eS o l i d s ，2 0 0 5 3 5 1 1 3 2 8 1 3 3 2 ． [ 7 ] L uzP ，L I UCT ．An e wg l a s s f o r m i n ga b i l i t yc r i t e r i o n f o rb u l km e t a l l i cg l a s s e s D ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 5 0 3 5 0 1 3 5 1 2 ． [ 8 ] 郑兆勃．非晶态材料引论[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 7 ． 万方数据