纳米晶对CuZr基非晶合金变形行为的影响

Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 225-232

Published Online November 2014 in Hans. /journal/ms

/10.12677/ms.2014.46032

The Effect of Nanocrystals on the Plastic

Deformation Ability of CuZr-Based BMG

Lincai Zhang1,2, Zhenya Song3, Xiaodong Guo1, Yanhua Hou1

1Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventinal Medical Devices, Huai’an

2State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an

3Shaoxing University, Shaoxing

Email: vicande@

Received: Sep. 30th, 2014; revised: Oct. 15th, 2014; accepted: Oct. 30th, 2014

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/licenses/by/4.0/

Abstract

The CuZr-based fully amorphous alloy and composites containing in-situ nanocrystals with large size were prepared. Without the influence of specimen geometry, their mechanical behaviors un-der compression were systematically studied and compared, confirming the important role of in- situ nanocrystals on the plastic deformation ability. At the same time, the coexistence of free vo-lume and small nanocrystals can efficiently enhance the plastic deformation ability, providing a useful guideline for large plasticity in BMG composites with nanocrystalline prepared from fully amorphous alloy.

Keywords

Nanocrystals, Free Volume, Mechanical Behaviors, Fracture Morphology

纳米晶对CuZr基非晶合金变形行为的影响

张临财1,2，宋振亚3，郭啸栋1，侯彦华1

1江苏省介入医疗器械研究重点实验室，淮安

2西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安

3绍兴文理学院，绍兴

Email: vicande@

收稿日期：2014年9月30日；修回日期：2014年10月15日；录用日期：2014年10月30日

摘要

本文制备了较大尺寸的CuZr基完全非晶合金以及含有原位析出纳米晶组织的非晶复合材料，在排除试样几何尺寸影响的基础上，研究了上述两种材料在压缩加载下的变形行为，证实了原位析出纳米晶对CuZr 基非晶合金的塑性变形能力具有重要作用。同时提出了自由体积和细小纳米晶的共同存在可以有效的提高非晶合金的塑性变形能力，为从非晶合金中制备具有良好塑性的纳米晶非晶复合材料的韧化提供了思路。

关键词

纳米晶，自由体积，变形行为，断口形貌

1. 引言

非晶合金的独特性能和应用前景得到了广泛的关注。研究者们相继开发了一系列高强度的Cu基大块非晶合金体系[1]-[4]，这些Cu基大块非晶合金具有很高的屈服强度，同时也有着很好的塑性，是目前大块非晶合金研究的一个热点。

最近许多研究报道发现一些非晶合金体系具有大的塑性断裂应变，某些情况甚至有大于50%的压缩塑性应变，其中Cu-Zr基块体非晶如Cu50Zr50[5]，Cu47.5Zr47.5Al5[6] [7]，Zr65Al7.5Cu27.5[8]。这些CuZr基非晶合金表现出与传统完全非晶合金迥异的力学性能。如含有纳米晶的Cu50Zr50非晶合金的室温压缩塑性超过50% [5]，Cu47.5Zr47.5Al5非晶合金的塑性变形也达到18%，并且变形过程中伴随着“加工硬化”。同时，Lee等人[9]也发现Cu50Zr43Al7非晶合金具有大的压缩塑性，认为变形过程中导致的纳米晶化是主要原因，并提出了激活能的概念来衡量纳米晶化的难易。与此同时，Kumar [10]也进一步研究了CuZr基非晶合金的压缩变形能力及其变形机制，发现纳米晶化是这些CuZr基非晶合金具有大塑性应变的原因。可见，究竟是变形导致的纳米晶化[9] [10]还是原位生成的纳米晶[5]-[8]是CuZr基非晶合金具有大塑性的主要原因，目前尚存在争议。很明显，尽管目前这些细小纳米晶提高塑性的作用机制尚存在争论，但可确定是这些细小纳米晶提高了材料的塑性。然而最近的报道表明，非晶合金的宏观试样的室温压缩塑性具有“越小越软”的趋势[11]。不幸的是，所有上述报道的CuZr基非晶的压缩试样尺寸都不大于2 mm，因此就不能排除试样尺寸对非晶合金的影响。这就迫切需要澄清上述多种因素对于CuZr基非晶合金塑性变形能力的影响，为获得大塑性的非晶合金提供思路。

2. 实验材料和方法

实验所需的Zr，Cu，Al等均来自北京翠柏林公司，其原料纯度都在99.9%以上。本实验用的成分(原子百分比)主要为Cu46Zr47Al7，铜模吸铸法分别制备直径3，3.5，4 mm的圆柱形试样。室温单向压缩在MTS 810实验机上进行，应变速率为2 × 10−4s−1，每组试样至少有3件，压缩试样的尺寸按高径比2:1进行加工。

本次实验XRD分析选用的机型为D/MAX-YA型，Cu/Kα靶，电压45 KV，电流80 mA，扫描角度20˚~80˚。场发射高分辨电镜(HRTEM)的型号为JEM2100 F，利用双喷减薄的方法制备透射试样。双喷所选用的腐蚀液是甲醇和硝酸的混合溶液，浓度配比为4:1。双喷时，严格控制实验条件，并使试样的温度维持在−40℃以下。采用JSM-6700 F型扫描电子显微镜进行断口观察。退火处理为把铸态直径3.5 mm试