王建偉，　王萌，　何佳，　郭小合

（西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司，西安　710018）

大塊鋁基非晶的制備及Al/Al-Fe-V非晶復(fù)合材料的物性研究

王建偉，王萌，何佳，郭小合

（西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司，西安710018）

以純鋁粉為基體，按一定配比加入Fe、V微粉，球磨70 h后可得到約為23 nm的完全非晶粉末.利用放電等離子燒結(jié)出不同非晶含量的復(fù)合材料，通過(guò)金相觀察發(fā)現(xiàn)，非晶增強(qiáng)體進(jìn)入基體鋁的晶界，使得這些區(qū)域成為晶體-非晶強(qiáng)化界面，隨非晶粉末含量的增加，基體鋁晶界間隙慢慢變寬直至消失.由于壓痕尺寸效應(yīng)和微裂紋，復(fù)合材料的硬度值隨負(fù)荷的增大而降低，且負(fù)荷在1.96 N以下時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率較大，負(fù)荷在1.96 N以上時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率趨于緩和，壓痕尖角裂紋以散射形式擴(kuò)展.

非晶；放電放電等離子燒結(jié)；顯微維氏硬度；尺寸效應(yīng)

0　引　言

非晶態(tài)合金（金屬玻璃）具有連續(xù)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)缺陷，其組織均勻，不存在位錯(cuò)、晶界、孿晶界等，因此具有高的彈性模量、強(qiáng)度、硬度、耐磨和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但目前對(duì)于非晶合金的研究大多是粉末或薄帶材料，大塊非晶合金很少.

非晶不存在晶粒、無(wú)磁各向異性和釘扎磁疇壁的缺陷，因此具有比廣泛應(yīng)用的硅鋼和Fe-Ni坡莫合金更高的磁感、磁導(dǎo)率和較低的鐵損、矯頑力[1-4].

Al75Fe12.5V12.5非晶相對(duì)于晶態(tài)鋁基合金擁有優(yōu)異的耐蝕、耐磨、力學(xué)和電磁特性，部分晶化后的強(qiáng)度可與工程陶瓷媲美[5-6]，正逐步成為電力、精密機(jī)械等領(lǐng)域重要的功能材料.

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

使用純度均為99.9%，粒徑分別為：Al 74μm，V 74μm，F(xiàn)e 100μm，采用機(jī)械合金化法在行星式球磨機(jī)中制備非晶.根據(jù)Al75Fe12.5V12.5的原子百分比，稱(chēng)量Al、Fe、V粉共20 g并混勻，與0.4 g硬脂酸（C18H36O2）和400 g軸承鋼珠裝入球磨罐內(nèi)后帶上螺釘，移入真空手套箱并抽真空至10-6Pa后沖入高純Ar氣，球磨過(guò)程中，每5 h取樣一次.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1A l75Fe12.5V12.5合金粉的非晶化

圖3為4 g重的Al75Fe12.5V12.5非晶粉末，在50MPa、450℃保溫6min，升溫速率為20℃/min的條件下采用SPS燒結(jié)，得到尺寸為φ20mm×2mm的塊體非晶合金的金相照片.計(jì)算出密度為2.93 g/cm3，塊體試樣表面比較粗糙，沒(méi)有金屬光澤，其在高倍下的顆粒較松散，結(jié)合不緊密，表明塊體致密度不高，這可能與SPS燒結(jié)時(shí)，所加載的壓力較小有關(guān).

給予綜合對(duì)癥治療：予阿托伐他汀鈣片20 mg，1次/d口服，以降血脂；予口服降糖藥或胰島素已控制血糖；根據(jù)具體病情，給予降血壓、改善腦部血液循環(huán)等治療；再予阿司匹林腸溶片100 mg，1次/d口服。治療3個(gè)月為1個(gè)療程，共1個(gè)療程。

圖1　球磨70 h A l75Fe12.5V12.5粉的TEM像及對(duì)應(yīng)SEAD像Fig.1　TEM and corresponding SEAD diagram of A l75Fe12.5V12.5pow der after 70 hours ofm illing

稱(chēng)取4 g Al75Fe12.5V12.5非晶粉末進(jìn)行SPS燒結(jié)，制得塊體非晶合金，SPS固結(jié)條件為：壓力50 MPa，保溫6 min，升溫速率100℃/min，燒結(jié)溫度分別為420℃、450℃、500℃.

2.2塊體非晶合金的宏觀形貌與物相分析

治病當(dāng)從根上治，鏟除黑惡勢(shì)力，還應(yīng)當(dāng)追究不作為甚至當(dāng)保護(hù)傘的個(gè)別干部，否則，摘除了這個(gè)毒瘤，不定什么時(shí)候就敢又長(zhǎng)出的另一個(gè)毒瘤，后患無(wú)窮。

5）輸出調(diào)整：根據(jù)控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流水迭代單元計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使任意象限的輸入值計(jì)算后能恢復(fù)到該象限上。

非晶合金在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg以下時(shí)效會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生局部調(diào)整，導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力部分松弛.圖2分別為SPS在420℃、450℃、500℃下的塊體Al75Fe12.5V12.5合金的XRD圖，可見(jiàn)，在420℃燒結(jié)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)弛豫，塊體非晶中析出了少量的Al76.8Fe24相，形成非晶/納米晶復(fù)合組織.在450℃燒結(jié)，得到XRD圖譜中只有單一的漫散峰，無(wú)晶體相析出，合金為完全非晶狀態(tài)[7-10].將燒結(jié)溫度升高到500℃時(shí)，樣品材料中出現(xiàn)了多晶體衍射峰，材料開(kāi)始晶化，析出Al5Fe2和Al3V相.因此，SPS燒結(jié)溫度以450℃為宜.

圖2　不同燒結(jié)溫度得到的塊體A l75Fe12.5V12.5合金的XRD譜Fig.2　XRD Patterns of A l75Fe12.5V12.5bulk alloys obtained at different sintering tem peratures

經(jīng)球磨70 h后，Al、Fe和V及未知固溶體相的晶態(tài)衍射峰完全消失，在XRD圖37°～46°范圍出現(xiàn)漫散峰，表明此時(shí)組元間完全互溶，合金粉末處于完全非晶狀態(tài).Al75Fe12.5V12.5的機(jī)械合金化過(guò)程可以表述為：元素粉末→Al基固溶體+金屬間化合物（Al45V7，Al5Fe2）→非晶相.Al75Fe12.5V12.5合金粉的TEM圖及對(duì)應(yīng)SEAD衍射圖如圖1，由SEAD衍射圖可見(jiàn)，僅有彌散的暈環(huán)，不存在晶體特有的對(duì)稱(chēng)衍射斑點(diǎn)，說(shuō)明非晶化過(guò)程完成.

圖3　SPS燒結(jié)塊體A l75Fe12.5V12.5合金的宏觀形貌Fig.3　M acro topography sintering bulk alloy of Al75Fe12.5V12.5bulk alloys obtained by SPS

2.3塊體合金的物性研究

圖5為 Al75Fe12.5V12.5非晶試樣斷面的宏觀形貌，由圖5可見(jiàn)，斷口呈放射花樣，不存在塑性變形的韌窩形貌，說(shuō)明 Al75Fe12.5V12.5非晶斷裂屬于脆性斷裂.

理論情況下，壓痕對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度與載荷大小均不影響顯微維氏硬度值.實(shí)際上，由于金屬存在彈性回復(fù)，壓頭會(huì)在某一負(fù)載下在試樣表面產(chǎn)生的壓痕當(dāng)缷載后收縮變小.金屬的彈性回復(fù)僅與其種類(lèi)有關(guān)，與壓痕對(duì)應(yīng)的負(fù)荷無(wú)關(guān).在低負(fù)荷（小于1.96 N）時(shí)，產(chǎn)生的很小壓痕會(huì)收縮很大比例，使得所測(cè)顯微維氏硬度值偏高.

在純鋁粉中添加不同Al75Fe12.5V12.5非晶粉末含量，組成5 g混合粉末并混勻后，在表1條件下采用放電等離子燒結(jié)，得到復(fù)合材料的形貌如圖6.可見(jiàn)，復(fù)合塊體金屬光澤度隨非晶含量增加而降低，這與非晶長(zhǎng)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)有關(guān).

圖4　非晶的硬度與負(fù)荷關(guān)系Fig.4　Relationship ofam orphoushardnessvaluew ith load

將非晶試樣磨拋后，置于MHV-1000顯微維氏硬度計(jì)上，每一試樣在5個(gè)不同區(qū)域依次施加0.49 N、0.98 N、1.96 N、......、直到4.9 N載荷并保載15 s后，測(cè)量其維氏硬度值，其平均值即為試樣的對(duì)應(yīng)載荷的硬度值.

我們探索一種基礎(chǔ)理論，不光是為了解釋一此現(xiàn)象，更重要是運(yùn)用基礎(chǔ)理論去指導(dǎo)開(kāi)創(chuàng)有益的事業(yè)。當(dāng)我發(fā)現(xiàn)了“植物體內(nèi)同化物具有向庫(kù)性，這種特性與庫(kù)信號(hào)相關(guān)聯(lián)，庫(kù)信號(hào)的強(qiáng)弱決定同化物移動(dòng)到庫(kù)的量的大小”這個(gè)原理后，就用這個(gè)理論為指導(dǎo)創(chuàng)作了“筆下沙漠見(jiàn)春”的盆景，如圖，

塊體Al75Fe12.5V12.5非晶在500℃保溫30 min后的維氏硬度值與力值關(guān)系曲線(xiàn)如圖4.由圖4可知，硬度值隨載荷增加而減小，載荷小于1.96 N時(shí)，硬度降低較快，曲線(xiàn)斜率較大.曲線(xiàn)在1.96 N載荷處產(chǎn)生突變，隨后曲線(xiàn)斜率變小，這可能是由試樣的微裂紋和壓痕尺寸效應(yīng)造成[4-7].顯微維氏硬度值隨負(fù)荷的增加而減小即為壓痕尺寸效應(yīng)，載荷小于1.96 N時(shí)，試樣的壓痕尖角處無(wú)微裂紋出現(xiàn)，但壓痕附近有較高應(yīng)力集中，負(fù)荷卸載后壓痕尺寸收縮較大，使得壓痕尺寸效應(yīng)明顯；載荷大于1.96 N時(shí)，微裂紋在壓痕尖角處形成，并沿能量耗散最小的方向迅速擴(kuò)展，在壓痕尖角處產(chǎn)生崩裂，使壓痕尖角處的應(yīng)力集中部分得到釋放[11-12].因此，0.98 N是塊體Al75Fe12.5V12.5非晶的最佳顯微維氏硬度負(fù)荷，此負(fù)荷對(duì)應(yīng)的顯微維氏硬度值是準(zhǔn)確的.

表1　放電等離子燒結(jié)試驗(yàn)條件Table1　Test conditions of p lasm a sintering

圖6　放電等離子燒結(jié)復(fù)合材料形貌Fig.6　Topography of p lasm a sintering com posite

與圖6中非晶含量對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料金相圖如圖7，由圖7可見(jiàn)，非晶增強(qiáng)體進(jìn)入基體鋁的晶界，使得這些區(qū)域成為晶體-非晶強(qiáng)化界面，隨非晶粉末含量的增加，基體鋁晶界間隙慢慢變寬直至消失[13-15].表2為不同非晶含量的復(fù)合材料密度，可見(jiàn)，復(fù)合材料的密度隨非晶含量增加而增大，但小于完全非晶態(tài)Al75Fe12.5V12.5的密度2.93 g/cm3.

2.4 品質(zhì)分析 由表5可知，9個(gè)供試品種含油量在40.65%～48.83%，玉油5號(hào)最高，玉紅油2號(hào)最低；芥酸含量在0～0.40%，玉油1號(hào)、玉紅油2號(hào)、云油雜2號(hào)及云油雜15號(hào)均為檢出；硫甙含量在20.30%～29.89%，玉油4號(hào)最低，花油8號(hào)最低；供試品種均符合“雙低油菜”(芥酸含量低于3%，硫甙含量低于30 μmol/g)標(biāo)準(zhǔn)。

表2　不同非晶含量的復(fù)合材料密度Table 2　Density of amorphous com posite

圖7　含有不同非晶比例的復(fù)合材料金相組織Fig.7　M etallographicm icrostructures of different contents of amorphous com positematerial

根據(jù)塊體非晶合金樣品的特點(diǎn)，采用顯微維氏硬度法測(cè)量其硬度值，為確定顯微維氏硬度所需加載的負(fù)荷大小及硬度與非晶含量的關(guān)系，對(duì)塊體復(fù)合材料加載不同載荷，得到如圖8所示不同非晶比例的復(fù)合材料顯微維氏硬度與負(fù)荷關(guān)系圖，由圖8可見(jiàn)，復(fù)合材料的硬度值如同完全非晶材料，都隨負(fù)荷的增大而降低，且負(fù)荷在1.96 N以下時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率較大，負(fù)荷在1.96 N以上時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率較小，曲線(xiàn)在1.96 N處發(fā)生突變，壓痕尖角裂紋以散射形式擴(kuò)展[16].負(fù)荷為0.49 N時(shí)，非晶含量為10%的復(fù)合材料顯微維氏硬度為HV0.05=94.3，較晶體鋁的顯微維氏硬度HV0.05=34.8有明顯提高，這是由于復(fù)合材料中含有晶體-非晶強(qiáng)化界面，基體鋁能提供與非晶接觸的晶界數(shù)量有限，這就限制了形成晶體-非晶強(qiáng)化界面的數(shù)量，因此，復(fù)合材料的顯微維氏硬度值會(huì)隨非晶含量增加有所提高，但不明顯.

圖8　含有不同非晶比例的復(fù)合材料顯微維氏硬度與負(fù)荷關(guān)系Fig.8　Relationship ofm icro vickers hardnessw ith load of am orphous com posites

3　結(jié)　論

1）以6061粉為基體，按一定配比加入Fe、V微粉，球磨70 h后可得到約為23 nm的Al75Fe12.5V12.5完全非晶粉末.

2.1 成績(jī)比較 兩組考核成績(jī)比較，實(shí)驗(yàn)組的總成績(jī)、主觀題成績(jī)優(yōu)于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而兩組的客觀題成績(jī)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表1。結(jié)果表明，翻轉(zhuǎn)課堂在客觀知識(shí)掌握上并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，但在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力方面確實(shí)要優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式。

2）不同非晶含量的復(fù)合材料，非晶增強(qiáng)體進(jìn)入基體鋁的晶界，使得這些區(qū)域成為晶體-非晶強(qiáng)化界面，隨非晶粉末含量的增加，基體鋁晶界間隙慢慢變寬直至消失.

3）非晶粉末在450℃燒結(jié)，得到的XRD圖譜中只有單一的漫散峰，無(wú)晶體相析出，合金為完全非晶狀態(tài)，SPS燒結(jié)溫度以450℃為宜.

4）由于壓痕尺寸效應(yīng)和微裂紋，復(fù)合材料的硬度值如同完全非晶材料，都隨負(fù)荷的增大而降低，且負(fù)荷在1.96 N以下時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率較大，負(fù)荷在1.96 N以上時(shí)硬度-負(fù)荷曲線(xiàn)斜率趨于緩和，壓痕尖角裂紋以散射形式擴(kuò)展.

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Preparation of A l-based bulk amorphous alloys and properties of Al/Al-Fe-V amorphous com posites

WANG Jianwei,WANG M eng,HE Jia,GUO Xiaohe
（Xi’an XD High Voltage Apparatus Co.Ltd.,Xi’an 710018,China）

Fe and V powderis in certain ratios are joined in 6061 base powder.Amorphous powder of 23 nm is obtained after milling around 70 h.Composites with different amorphous contents are prepared by plasma sintering.Amorphous reinforcement enters the grain boundary regions,which become crystalline-amorphous strengthening interface.Aluminum matrix grain boundary gap becomes wide and disappears slowly with increasing content of amorphous powder.Due to indentation size effect and micro crack,the hardness of the composites decreases with increasing load.The hardness-load curve slope is larger when the load is less than 1.96 N.In contrast,the curve slope is eased.The indentation sharp cracks extend in the form of scattering.

amorphous;spark plasma sintering;micro vickers hardness;size effect

TG135；TF125.2

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.013

2014-12-12

王建偉（1984－），男，技術(shù)員，主要從事電工材料的研究與失效分析方向研究，E-mail：wei_wjw@163.com.