吳　爭,張　波,王繼杰

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

?

高徑比對Zr基非晶合金壓縮性能的影響

吳爭,張波,王繼杰

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

采用銅模澆鑄法制備了ZrTiNiCuBe非晶合金并系統(tǒng)研究了高徑比的變化對該非晶合金準靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，樣品高徑比減小時，Zr基非晶合金的抗壓強度隨之增大。高徑比小于或等于1時，非晶合金的塑性應(yīng)變明顯增大；高徑比為0.5，塑性應(yīng)變達30%時，樣品仍未斷裂。掃描電鏡觀察顯示小高徑比的樣品側(cè)表面剪切帶數(shù)量明顯增多。

Zr基非晶；高徑比；壓縮強度；塑性應(yīng)變；剪切帶

非晶合金是一種無原子三維周期性排列的金屬或合金固體，原子排列呈現(xiàn)長程無序、短程有序的特點。非晶合金獨特的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其變形和斷裂機制與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金不同[1-3]。近年來，有關(guān)非晶合金變形機制的研究已經(jīng)引起了大量科研工作者的關(guān)注。一般來說，非晶合金的塑性變形局限在很窄范圍的剪切帶內(nèi)，剪切帶的快速擴展會導(dǎo)致樣品的突然斷裂。但是大量研究結(jié)果表明，在軸向載荷(壓縮載荷或拉伸載荷)下，非晶合金的剪切斷裂并不沿最大剪切應(yīng)力面，部分非晶合金在壓縮載荷下而表現(xiàn)出一定的塑性變形能力，這是由于非晶試樣中產(chǎn)生了剪切帶[1,3]。因此，剪切帶是怎樣形成和擴展以及如何控制非晶合金的塑性變形就成為研究者探索的問題。Conner[4]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄非晶條帶在彎曲載荷下能夠經(jīng)歷一定的塑性變形而不斷裂，但是厚非晶合金板卻會發(fā)生突然的斷裂。Lewandowski[5]研究結(jié)果表明流體靜壓力對Zr基非晶合金的塑性流變以及斷裂行為均有一定程度的影響，非晶合金在有限制的情況下呈現(xiàn)出超過10%的塑性變形能力。Bruck[6]等研究了高徑比分別為1∶2和2∶1的非晶合金樣品的壓縮性能，結(jié)果表明小高徑比的樣品屈服強度略高且壓縮塑性明顯增大，這說明非晶合金的塑性與樣品的幾何尺寸以及加載模式密切相關(guān)。Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金是目前非晶形成能力較強、應(yīng)用前景較好的非晶態(tài)合金之一，如果該合金在高徑比較小的情況下可以承受一定的變形而不發(fā)生斷裂，那么就有望拓寬該合金的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，本文通過制備不同高徑比的壓縮試樣，詳細研究了高徑比的變化對ZrTiNiCuBe非晶合金壓縮性能的影響。

1　研究方法

Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5母合金通過電弧熔煉制備。具體過程為：選用純度不低于99.8 wt.%的Zr、Ti、Cu、Ni、Be純金屬，各種純金屬所需的質(zhì)量按原子百分比配制。將純金屬切割成小塊，去除表面的氧化皮，用精密天平(Sartorius BS 223S,Max 220 g,Min 0.001 g)精確稱量各金屬的質(zhì)量。將配制好的各種金屬經(jīng)過清洗干燥后均勻混合置于電弧爐坩堝內(nèi)，將工作腔抽至較高的真空度，而后充入高純氬氣作為保護氣體。為進一步降低電弧爐爐腔內(nèi)的含氧量，在熔煉合金前，先將預(yù)置于爐內(nèi)的吸收鈦合金錠熔化。為保證合金錠成分盡可能均勻，每個合金錠至少翻轉(zhuǎn)熔煉4次，然后用銅模澆注法將母合金澆鑄成直徑為5 mm的合金棒。應(yīng)用線切割設(shè)備制備壓縮試樣，切完后需將試樣端面磨平，試樣尺寸分別為Φ5×10 mm、Φ5×7.5 mm、Φ5×5 mm和Φ5×2.5 mm，對應(yīng)的高度和直徑的比值(高徑比)分別為2、1.5、1和0.5。采用日本理學(xué)D/max-2500PC型 X射線衍射儀(Cu-Kα 輻射，波長λ=1.540 56 nm)對樣品進行物相分析。采用Instron5582型萬能力學(xué)試驗機對4種樣品進行壓縮試驗，應(yīng)變速率為10-4s-1。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每組樣品做3次重復(fù)試驗，取平均值。采用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡來觀察變形或斷裂后樣品的側(cè)表面和斷口形貌。

2　實驗結(jié)果與分析

圖1為銅模澆鑄的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲線，由圖1可以看出，所制備的ZrTiNiCuBe合金的衍射曲線沒有與晶態(tài)材料的明銳衍射峰相對應(yīng)，而表現(xiàn)為典型的代表非晶態(tài)的漫散射峰，這說明所制備的合金棒為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖1　銅模澆鑄的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金的XRD曲線

對4種高徑比的Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5非晶合金壓縮樣品進行壓縮性能測試，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。高徑比分別為2、1.5和1時，3種樣品的抗壓強度分別為1 923 MPa、1 930 MPa和2 026 MPa，抗壓強度略有增大。而當(dāng)高徑比為0.5，塑性應(yīng)變達到30%時，樣品仍然沒有斷裂，因此沒有得到這種壓縮樣品的抗壓強度。但從圖2中可以明顯看出，小高徑比樣品的抗壓強度明顯增大。當(dāng)高徑比為2和1.5時，Zr基非晶的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈性變形后直接斷裂的特征，幾乎沒有塑性變形；而當(dāng)高徑比減小到1時，Zr基非晶的壓縮變形由彈性變形后直接斷裂向塑性變形轉(zhuǎn)變，塑性變形為3%；隨著高徑比減小到0.5時，Zr基非晶的塑性應(yīng)變明顯增大，壓縮載荷下，塑性應(yīng)變大于30%?？梢姡邚奖鹊母淖冿@著影響Zr基非晶的壓縮性能。

圖3為不同高徑比的Zr基非晶樣品在壓縮載荷下破壞或變形后的宏觀形貌。由圖3明顯可見，當(dāng)高徑比大于等于1時，Zr基非晶的斷裂方式均為剪切斷裂；高徑比為2、1.5和1時，剪切斷裂角分別為34°、40°和30°;而當(dāng)高徑比為0.5時，樣品經(jīng)歷較大塑性變形后仍然沒有發(fā)生斷裂。壓縮載荷下，與加載軸向成45°方向的剪切應(yīng)力最大。但是大量的研究結(jié)果表明，絕大多數(shù)非晶合金在壓縮載荷下的剪切斷裂角均小于45°，而在拉伸載荷下的斷裂角則大于45°[1,3]，這是因為剪切斷裂不僅依賴于剪切面上的剪切應(yīng)力，剪切面上的正應(yīng)力也起到一定的作用。非晶合金與晶態(tài)合金相比具有相對較高的斷裂強度，因而其斷裂瞬間剪切斷裂面具有較高的法向應(yīng)力，而過高的法向應(yīng)力會影響非晶合金剪切斷裂面的取向[3,7]。在拉伸載荷下，法向應(yīng)力會促進材料的剪切斷裂，使剪切斷裂面與軸向夾角偏向大于45°的方向。而在壓縮載荷下，法向應(yīng)力則會抑制非晶合金的剪切斷裂，使剪切斷裂面與軸向

夾角偏向小于45°的方向。本實驗中，Zr基非晶合金在壓縮載荷下斷裂后的剪切斷裂角均小于45°，可見Zr基非晶合金的破壞方式符合Mohr-Coulomb準則。

圖2　高徑比分別為2、1.5、1和0.5時Zr基非晶的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3　不同高徑比時Zr基非晶壓縮變形后的宏觀形貌

圖4為樣品斷裂后的側(cè)表面剪切帶形貌圖。圖4(a)、(b)和(c)中箭頭所指為剪切帶，圖4(d)中剪切帶數(shù)量較多且較為明顯，因此沒有標出。可見當(dāng)樣品高徑比為2和1.5時，Zr基非晶變形后側(cè)表面的剪切帶數(shù)量非常少；隨著高徑比減小為1時，樣品側(cè)表面剪切帶數(shù)量明顯增多且出現(xiàn)彎曲和分叉的現(xiàn)象；當(dāng)高徑比減小到0.5時，樣品側(cè)表面的剪切帶數(shù)量和密度均明顯增加，且大部分剪切帶的方向均偏離了45°方向，樣品端部靠近壓頭一側(cè)尤為明顯，出現(xiàn)了大量近似垂直于加載軸向的剪切帶。由于非晶獨特的結(jié)構(gòu)使之不能像晶態(tài)材料一樣通過位錯產(chǎn)生塑性變形，只能通過剪切帶變形。而剪切帶數(shù)量的多少和剪切帶之間交互作用的程度往往決定著非晶材料的變形能力，剪切帶越多、密度越大，則塑形變形能力越強；相反，剪切帶越少則塑形變形能力越差[6,8-9]。本實驗中，隨著樣品高徑比的減小，變形后樣品側(cè)表面的剪切帶數(shù)量和密度均明顯增大，且剪切帶的交互作用明顯增強，這些現(xiàn)象均預(yù)示著樣品的塑性變形能力也會隨著高徑比的減小而增強，也就是說Zr基非晶的塑性應(yīng)變應(yīng)隨高徑比的減小而增大，這恰好與壓縮實驗得出的結(jié)果(如圖2所示)相符。

圖4　不同高徑比時Zr基非晶壓縮變形后的側(cè)表面的剪切帶形貌

圖5　不同高徑比時Zr基非晶合金壓斷后的斷口形貌

圖5為高徑比分別為2和1時Zr基非晶合金試樣壓斷后的斷口形貌?？梢娫摲蔷Ш辖饓簲嗪蟮臄嗫谛蚊惨悦}紋狀花樣為主，具有明顯的熔化特征。斷口上所呈現(xiàn)的這種類似于液體的特征形貌是由剪切帶內(nèi)的剪切軟化造成的。一些研究者認為這種軟化是由于局部放熱而產(chǎn)生的，局部溫升從0.1 K到幾千K不等[10-12]。也有一些研究者認為這是由于剪切帶內(nèi)的結(jié)構(gòu)演變造成的[10]，而研究者普遍認可斷裂面上脈紋花樣以及熔滴是由于剪切帶內(nèi)粘度降低而形成的觀點[13]。Yang等人[14]應(yīng)用紅外線成像估測剪切帶內(nèi)的溫升在650～1 200 K范圍內(nèi)。Lewandowski和Greer[15]通過對表面鍍錫的非晶合金試樣進行彎曲實驗，發(fā)現(xiàn)試樣表面覆蓋的薄錫層發(fā)生了熔化，而熔化發(fā)生在靠近剪切帶的位置，這證明了試樣的剪切斷裂所引起的表面溫升超過了金屬錫的熔點(200 K)。通過對非晶合金樣品壓縮斷口的觀察，作者認為Zr基非晶合金壓縮剪切斷裂后斷口形貌的特征是由于剪切帶內(nèi)結(jié)構(gòu)演變的同時彈性勢能在斷裂瞬間釋放使斷口附近溫度升高而形成的。

由以上結(jié)果可以看出，高徑比的改變顯著影響ZrTiNiCuBe非晶合金的準靜態(tài)壓縮力學(xué)性能。隨著高徑比的減小，ZrTiNiCuBe非晶合金的強度和塑形均呈現(xiàn)增大的趨勢，高徑比越小，其增大幅度越大。目前被普遍接受的非晶合金的微觀變形機制為剪切變形區(qū)內(nèi)原子團簇的重排，根據(jù)文獻報道，剪切變形區(qū)的尺寸大概為50～500 nm[16]，因此，高徑比的變化應(yīng)該不會影響非晶合金的微觀變形機制，那么造成如上尺寸效應(yīng)的主要原因可能取決于加載方式。壓縮載荷下，壓縮樣品端部在壓縮過程中受壓頭摩擦力的影響較大，使得樣品端部存在一個自端部向中心逐漸減小的徑向壓縮應(yīng)力，這種徑向壓縮應(yīng)力的存在改變了樣品端部的應(yīng)力狀態(tài)，使其處于類似于雙向壓應(yīng)力的受力狀態(tài)。隨著高徑比的減小，樣品處于雙向壓應(yīng)力作用范圍的比例也會隨之增大。高徑比較大時，樣品中部不受徑向壓縮應(yīng)力的影響，剪切帶可以貫穿整個樣品使得樣品發(fā)生剪切斷裂，因此此時復(fù)合材料的強度和塑性變化不是十分明顯。而當(dāng)高徑比小于等于1時，徑向壓縮應(yīng)力幾乎影響整個樣品，如果主剪切帶沿與加載軸向成45°方向生成并沿此方向擴展，那么由于徑向壓縮應(yīng)力的存在必然會使主剪切帶的擴展受阻，并促使多剪切帶的生成，因此合金的塑形和強度均會隨之升高。

3　結(jié)論

(1)通過銅模鑄造法成功制備了Zr41.2Ti13.8Ni10.0Cu12.5Be22.5合金，XRD結(jié)果表明所制備的合金為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu);

(2)對不同高徑比的Zr基非晶樣品進行了壓縮性能測試，結(jié)果表明隨著高徑比的減小Zr基非晶的抗壓強度和塑性應(yīng)變隨之增大，造成這種結(jié)果的原因為壓頭與樣品之間產(chǎn)生的徑向壓縮應(yīng)力;

(3)Zr基非晶的斷裂方式為剪切斷裂，剪切角均小于45°。隨高徑比的減小，樣片側(cè)表面剪切帶數(shù)量和密度均增大，交互作用增強，這也是材料塑性應(yīng)變增加的原因；不同高徑比的樣品壓斷后斷口的形貌類似，均為典型的脈紋狀花樣。

[1]ZHANG Z F,HE G,ECKERT J,et al.Fracture mechanisms in bulk metallic glassy materials[J].Phys Rev Lett,2003,91(4):045505-045501-045505-045504.

[2]胡壯麒,張海峰.塊狀非晶合金及其復(fù)合材料研究進展[J].金屬學(xué)報,2010,46(11):1391-1421.

[3]ZHANG Z F,ECKERT J,SCHULTZ L.Difference in compressive and tensile fracture mechanisms of Zr59Cu20Al10Ni8Ti3 bulk metallic glass[J].Acta Mater,2003,51(4):1167-1179.

[4]CONNER R D,JOHNSON W L,PATON N E,et al.Shear bands and cracking of metallic glass plates in bending[J].J Appl Phys,2003,94(2):904-911.

[5]LEWANDOWSKI J J,LOWHAPHANDU P.Effects of hydrostatic pressure on the flow and fracture of a bulk amorphous metal[J].Philos Mag A,2002,82(17-18):3427-3441.

[6]BRUCK H A,CHRISTMAN T,ROSAKIS A J,et al.Quasi-static constitutive behavior of Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5bulk amorphous alloys[J].Scripta Metall Mater,1994,30(4):429-434.

[7]LOWHAPHANDU P,LUDROSKY L A,MONTGOMERY S L,et al.Deformation and fracture toughness of a bulk amorphous Zr-Ti-Ni-Cu-Be alloy[J].Intermetallics,2000,8(5-6):487-492.

[8]LEAMY H J,WANG T T,CHEN H S.Plastic flow and fracture of metallic glass[J].Metallurgical and Materials Transactions B,1972,3(3):699-708.

[9]HUFNAGEL T C,JIAO T,LI Y,et al.Deformation and failure of Zr57Ti5Cu20Ni8Al10 bulk metallic glass under quasi-static and dynamic compression[J].J Mater Res,2002,17(6):1441-1445.

[10]SPAEPEN F.A microscopic mechanism for steady state inhomogeneous flow in metallic glasses[J].Acta Metall,1977,25(4):407-415.

[11]ARGON A S.Plastic deformation in metallic glasses[J].Acta Metall,1979,27(1):47-58.

[12]BRUCK H A,ROSAKIS A J,JOHNSON W L.The dynamic compressive behavior of beryllium bearing bulk metallic glasses[J].J Mater Res,1996,11(2):503-511.

[13]BENGUS V Z,TABACHNIKOVA E D,SHUMILIN S,et al.Some peculiarities of ductile shear failure of amorphous alloy ribbons[J].International Journal of Rapid Solidification,1993,8(1):21-31.

[14]YANG B,MORRISON M L,LIAW P K,et al.Dynamic evolution of nanoscale shear bands in a bulk-metallic glass[J].Appl Phys Lett,2005,86(14):141904-141904-3.

[15]LEWANDOWSKI J J,GREER A L.Temperature rise at shear bands in metallic glasses[J].Nat Mater,2005,5(1):15-18.

[16]SCHUSTER B E,WEI Q,HUFNAGEL T C,et al.Size-independent strength and deformation mode in compression of a Pd-based metallic glass[J].Acta Mater,2008,56(18):5091-5100

(責(zé)任編輯：吳萍英文審校：劉興民)

Effect of aspect ratio on the compressive performances of Zr-based bulk metallic glass

WU Zheng,ZHANG Bo,WANG Ji-jie

College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The ZrTiNiCuBe alloy was prepared by copper mold casting.And the effect of aspect ratio on the compressive properties was investigated systematically.The results show that the compressive strength and the plastic strain of the Zr based metallic glass increase with the decrease of aspect ratio.The plastic strain is noticeably improved when the aspect ratio is smaller than or equal to 1.The plastic strain is higher than 30% when aspect ratio is 0.5.The number of the shear bands on the lateral surface of sample increases with the decrease of aspect ratio.Typical vein-like patterns and fusion phenomenon were observed on the fracture surface by SEM.

Zr-bassed metallic glass;aspect ratio;compressive strength;plastic strain;shear band

2095-1248(2016)03-0058-05

2015-10-27

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51401131)

吳爭(1989-)，男，湖北孝感人，碩士研究生，主要研究方向：非晶合金及其復(fù)合材料，E-mail：brainwz@126.com；王繼杰(1965-)，男，河南南陽人，教授，博士，主要研究方向：輕合金及其加工技術(shù)，E-mail：wangjijie@sau.edu.cn。

TB331

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.03.009