简介概要

半固态处理对(Cu_0.7Fe_0.3)_88-xAl₁₂Zr_x非晶复合材料组织和力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2014年第6期

论文作者：袁小鹏寇生中赵燕春李春燕蒋维科

文章页码：1011 - 1016

关键词：块体非晶合金;半固态处理;组织;力学性能;

摘要：对Cu-Fe非晶合金基复合材料进行了成分设计,研究了半固态处理工艺对（Cu0.7Fe0.3）88-xAl12Zrx组织和力学性能的影响。结果表明,Zr含量增加能够提高（Cu0.7Fe0.3）88-xAl12Zrx的非晶形成能力,x=50时试样为全非晶结构,过热吸铸试样其过冷液相区宽度ΔTx为92.4 K,约化玻璃转变温度Trg和γ参数分别为0.415和0.361,试样具有良好的热稳定性和非晶形成能力,且其断裂强度显著高于复合材料,压缩断裂强度高达1734 MPa。x=10的试样中马氏体相对塑性的提高有一定效果,但是缺乏非晶基体的强度。随着Zr的添加,Fe的比例降低,试样中塑性相消失,析出脆性金属间化合物较多,试样脆性大。半固态处理试样的非晶热稳定性降低,有利于晶体相的析出,且母合金经半固态处理过后试样的组织更加均匀,力学性能得到明显改善。

网络首发时间: 2013-12-27 14:34

稀有金属 2014,38(06),1011-1016 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2014.06.012

半固态处理对 (Cu_0.7Fe_0.3) _88-xAl₁₂Zr_x非晶复合材料组织和力学性能的影响

袁小鹏寇生中赵燕春李春燕蒋维科

兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室

兰州理工大学温州泵阀工程研究院

摘要：

对Cu-Fe非晶合金基复合材料进行了成分设计, 研究了半固态处理工艺对 (Cu0.7Fe0.3) 88-xAl12Zrx组织和力学性能的影响。结果表明, Zr含量增加能够提高 (Cu0.7Fe0.3) 88-xAl12Zrx的非晶形成能力, x=50时试样为全非晶结构, 过热吸铸试样其过冷液相区宽度ΔTx为92.4 K, 约化玻璃转变温度Trg和γ参数分别为0.415和0.361, 试样具有良好的热稳定性和非晶形成能力, 且其断裂强度显著高于复合材料, 压缩断裂强度高达1734 MPa。x=10的试样中马氏体相对塑性的提高有一定效果, 但是缺乏非晶基体的强度。随着Zr的添加, Fe的比例降低, 试样中塑性相消失, 析出脆性金属间化合物较多, 试样脆性大。半固态处理试样的非晶热稳定性降低, 有利于晶体相的析出, 且母合金经半固态处理过后试样的组织更加均匀, 力学性能得到明显改善。

关键词：

块体非晶合金;半固态处理;组织;力学性能;

中图分类号： TB333

作者简介：袁小鹏 (1981-) , 男, 江西九江市人, 博士研究生;研究方向:块体非晶的开发与性能研究;E-mail:j-xiaopeng@163.com;;寇生中, 教授;电话:0931-2973942;E-mail:kousz@lut.cn;

收稿日期：2013-09-03

基金：国家自然科学基金项目 (50961008, 51061008);国家科技部“973计划”前期研究专项 (2011CB612203);高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 (20116201120003);甘肃省青年科技基金计划 (1107RJYA275);浙江省自然基金项目 (LQ13E010002);甘肃省高等学校科研项目 (2013A-040) 资助;

Microstructure and Mechanical Properties of (Cu_0.7Fe_0.3) _88-xAl₁₂Zr_x by Semi-Solid Processing

Yuan Xiaopeng Kou Shengzhong Zhao Yanchun Li Chunyan Jiang Weike

State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Metal Materials, Lanzhou University of Technology

Wenzhou Research Institute of Pump and Valve Engineering, Lanzhou University of Technology

Abstract：

A component of Cu-Fe amorphous matrix based composites was designed. And the effects of semi-solid processing on microstructure and mechanical properties of ( Cu0. 7Fe0. 3) 88- xAl12 Zrxwere studied. The results showed that the increase of Zr addition could enhance the glass forming ability of ( Cu0. 7Fe0. 3) 88- xAl12 Zrx. And the sample x = 50 with fully amorphous structure exhibited good thermal stability and glass forming ability. The super-cooled liquid region ΔTx, reduced glass-transition temperature Trgand γ parameter of sample x = 50 were up to 92. 4 K, 0. 415 and 0. 361. Meanwhile, the compressive fracture strength of the sample x = 50 was up to 1734 MPa, which was significantly higher than that of samples with composite structure. The martensite phase in the sample x = 10 was short of strength compared with the amorphous matrix, although contributed to a certain enhancement of the plasticity. As Zr was added and Fe was reduced, the plastic phase disappeared and the brittle intermetallic compound increased, as a result, the sample exhibited a big brittleness. The samples treated by semi-solid processing, and exhibited better mechanical properties, the structure of which was more uniform.

Keyword：

bulk amorphous alloy; semi-solid process; structure; mechanical properties;

Received： 2013-09-03

大块非晶合金材料又称为大块金属玻璃 (bulk metallic glasses) , 是国际上20世纪90年代迅速发展起来的一类先进材料^[1,2,3,4]。与传统晶态材料相比, 采用特殊工艺制造出的各种大块非晶合金材料在多项使用性能方面具有十分明显的优势^[5,6]。然而, 块体非晶材料由于原子排列的长程无序性, 形变仅仅发生在极少数高度局域化的剪切带内, 宏观塑性变形能力差, 在拉应力下常常表现为脆性断裂, 这严重制约了块体非晶材料的应用范围^[7,8,9,10]。如何通过成分和结构设计来提高块体非晶合金的室温塑性, 以及弄清块体非晶合金的塑性变形机制是当前非晶材料研究领域的两个重要课题。如何提高块体非晶的塑性变形能力是目前世界上在这一领域中主要的研究项目。

由于Cu-Fe合金有较宽的固液两相区, 在一定成分内能析出塑性的γ-Fe相, 设计了半固态处理制备Cu-Fe成分非晶基复合材料, 希望通过在半固态处理过程中自合金熔体中析出的塑性相的方法即内生复合制得大块非晶基复合材料, 从而提高复合材料的塑性^[11,12]。以半固态处理过程中在非晶合金基体中析出塑性奥氏体相为出发点, 为改善合金锭的流动性在原设计合金成分中引入了Zr组元并作为变量, 希望得到具有最佳力学性能的成分点^[13,14]。本文主要采用半固态处理工艺吸铸 (Cu_0.7Fe_0.3) _88-xAl₁₂Zr_x (x=10, 30, 50) 成分母合金, 研究半固态处理工艺对制得试样的组织和力学性能的影响。

1 实验

本文选用纯度大于99.99%的Cu, 99.9%的Zr, Al和Fe, 在高纯氩气保护条件, 用磁悬浮熔炼母合金, 反复熔炼3次, 以保证成分均匀, 采用铜模吸铸工艺, 分别于过热状态和半固态状态下制备出Φ3 mm棒状试样。由D/max-2400型大功率转靶衍射仪 (Cu Kα辐射, 40 k V-30 m A) 进行试样的结构表征。利用金相显微镜 (Me F₃) 和扫描电镜 (JSM-6700F) 观察其金相组织和断口形貌。在纯氩气保护的STA409同步热分析仪 (DSC) 中进行特征温度表征和热稳定性研究。用Instron型万能试验机测试室温准静态压缩力学行为, 应变速率为4×10^-4s^-1。

2 结果与讨论

2.1 半固态处理对XRD结果的影响

图1为Zr含量分别为10, 30, 50的X射线衍射图, 由图1可知, x=10的半固态处理的试样与过热处理试样的XRD图谱十分相似, 并且主要析出相一致。在2θ=30°~45°范围内未发现存在漫散射峰, 即在这两个试样内不存在非晶成分, 主要是晶体相。在x=10的成分中析出了体心立方结构α-Fe。x=30, x=50的成分中在2θ=30°~45°范围内均出现了漫散射峰, 表明存在非晶结构。其中在过热处理的x=50的试样中仅存在唯一的漫散峰, 表明该试样为全非晶结构, 其余试样除了在该范围出现弥散的漫散射峰还出现了数目不等的尖锐晶体峰, 证明试样是由晶体与非晶组成的复合材料。在x=30的图中, 半固态处理的试样与过热处理的试样中析出晶相成分有了较大的差别, 并且过热试样中晶体峰的数目明显比半固态试样的晶体峰多, 过热的试样中出现了数目较多的晶体相, 而半固态处理试样则是较单一的二元相, 对于组织的影响需要结合金相组织观察做进一步的研究。x=50的试样中, 过热处理试样衍射图谱为唯一的漫散射峰, 为全非晶成分。半固态处理试样既存在漫散射峰也存在尖锐晶体峰, 但是晶体的成分较前面成分单一, 主要为Cu Zr相。将不同成分的试样作一个纵向比较, 随着Zr含量的增加, 试样由全晶体向全非晶过渡, 说明随着Zr的添加该成分合金的非晶形成能力是逐渐提高的。由上述结果分析可知, 在半固态吸铸的过程中, 吸铸液体从完全的液态转变为了液体和固体的混合态, 也就是所谓的半固态。温度降到合金的熔点以下, 合金溶液在快速冷却的过程中发生晶化现象, 从而产生了与非晶体驼峰相对应的尖锐的晶体峰。表明此时铸态组织是不完全的非晶体, 部分形成了非晶和晶体的复合材料。并且半固态吸铸的试样与过热处理试样的主要析出晶体相大部分相同, 随着Zr的添加该成分非晶合金形成能力逐渐增强。

图1 不同Zr含量试样的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of samples with different Zr contents

(a) x=10; (b) x=30; (c) x=50

2.2 (Cu0.7Fe0.3) 88-xAl12Zrx合金的DSC分析

调整磁悬浮熔炼功率分别在4.5和7.0 k W吸铸, 研究了 (Cu_0.7Fe_0.3) ₃₈Al₁₂Zr₅₀分别在半固态温度和过热温度吸铸的热力学行为, 其DSC曲线和热稳定性性参数如图2和表1所示。过热温度吸铸试样, 其过冷液相区宽度ΔT_x为92.4 K, 约化玻璃转变温度T_rg和γ参数分别为0.415和0.361, 表明试样具有良好的热稳定性和非晶形成能力。其中, T_rg=T_g/T_l, 由非晶形成的动力学机制, 即在液相线温度T_l、熔化温度T_m和玻璃转变温度T_g之间合金熔体的粘度必须足够大, 以降低结晶形核率和长大率, 比值越大, 合金等温转变TTT曲线或连续冷却转变CCT曲线鼻尖处的粘度越大, 则越易形成非晶。参数γ=T_x/ (T_g+T_l) , 同时考虑了热力学和动力学因素, T_l值和T_g分别代表了液相和过冷液相的稳定性, 其非晶形成能力由TTT曲线的鼻温1/2 (T_g+T_l) 来衡量。如果有较高的T_x值, TTT曲线将向右移动, 从而导致较低的冷却速率和较高的玻璃形成能力 (glass forming ability, GFA) 。熔体过热处理相比半固态处理制备试样具有更大的GFA, 这与XRD结果一致, 过热吸铸试样为全非晶结构, 而半固态处理试样为晶体和非晶的复合结构。

图2 Zr含量为x=50在不同吸铸条件下的DSC曲线Fig.2 DSC curves of samples with Zr contents of x=50 fabri-cated by different suction condition

表1 Zr含量为50在不同吸铸条件下的热稳定性参数Table 1 Thermal stability parameters of samples with Zr contents of 50 fabricated by different suction con-dition 下载原图

表1 Zr含量为50在不同吸铸条件下的热稳定性参数Table 1 Thermal stability parameters of samples with Zr contents of 50 fabricated by different suction con-dition

2.3 半固态处理对金相显微组织的影响

图3是 (Cu_0.7Fe_0.3) _88-xAl₁₂Zr_x (x=10, 30, 50) 成分合金分别于过热状态和半固态状态下试样金相显微组织照片, 其中图3 (a) , (b) 分别为x=10成分试样过热和半固态处理试样, 图3 (c) , (d) 分别为x=30成分试样过热和半固态处理试样, 图3 (e) , (f) 分别为x=50成分试样过热和半固态处理试样。

图3 半固态处理和过热状态下试样金相显微组织图Fig.3 OM images samples fabricated from semi-solid process-ing and overheating condition

(a) , (b) x=10; (c) , (d) x=30; (e) , (f) x=50

x=10成分熔体处理过后金相组织较为相似, 其金相组织主要是板条状马氏体和较为粗大的树枝晶。二者的区别主要在高温熔体处理后的试样金相组织中树枝晶分布和大小较为均匀, 枝晶较小。通过XRD结果分析在此成分试样中析出了α-Fe相, 即板条马氏体是α-Fe或其他金属元素溶于α-Fe形成。在该试样中基本不存在非晶相, 也基本不存在塑性较好的奥氏体相, 这也影响了其力学性能。x=30成分试样的金相组织以密集的树枝晶为主, 同时有少量的暗场相基体。其中低温熔体处理试样出现了与高温处理试样形貌差距较大的较长树枝晶和巨大的晶体经分析应当为不同比例的铝铁成分晶体。另外从二者的100倍放大金相组织照片可以看出树枝晶从试样边缘到中心明显有一个长大的趋势, 这是在铜模吸铸过程中试样边缘至中心存在温度梯度, 冷却速率相差较大所致。x=50成分的试样金相组织有很大差异, 高温处理试样中没有晶体析出进一步证实了XRD的分析, 低温处理试样中则是成片的非晶基体上分布了固溶体相。在低温处理试样中基本没有发现树枝晶, 主要是固溶体和非晶基体的结合体。另外, 从x=30的试样开始在试样中部出现了较大的孔洞缺陷, 并且随Zr的添加, 缺陷有越来越大的趋势, 缺陷的出现也会影响试样的力学性能。

综合以上分析可以知道, 高温熔体处理后的试样金相组织与低温处理试样金相组织相比较, 晶体数目增多, 晶体大小及分布较为均匀。本成分设计过程中, 希望母合金经低温熔体处理后在非晶基体中析出γ-Fe相起到增韧增强效果。而在金相组织观察中在x=10成分试样中发现了板条状马氏体, 但是并未发现塑性较好的奥氏体相, 应当是在桐模较大的冷却速率下, 奥氏体相直接发生了马氏体相变没有被保留下来。在x=10与x=30成分的试样中均未发现非晶体, 表明没有强度较高的非晶基体只有马氏体相。另外, 随着Zr含量的增多, Fe的含量相对减少, 除了在x=10的成分中发现很多马氏体相, 在其他成分中均未发现明显的马氏体相或奥氏体相, 形成的大多为树枝晶和固溶体、非晶基体。

2.4 半固态处理对力学性能的影响

图4为Zr含量10和50的压缩应力-应变曲线, 由于Zr含量30试样的断裂强度较低, 故未将比较图列出, 将其数据列于表2中。

由图4和表2可知, x=10试样在压应力作用下表现出一定的塑性, 强度较高, 随着Zr的增加, x=30试样的脆性较大, 几乎没有塑性, 在较低应力下就发生了脆性断裂。半固态处理的试样强度塑性都比过热处理试样要好, 综合力学性能较后者高这与金相组织观察一致, 即通过金相组织观察可以观察到, 半固态处理试样与过热处理试样比较, 晶体数目较多、大小分布均匀^[15]。结合XRD与金相组织观察, 在x=10的试样中析出了马氏体相, 对其整体塑性的提高起到很大作用。但是由于缺乏强度较高的非晶基体, 试样整体塑性好, 强度不高, 限制了其力学性能的提高。随着Zr的添加在试样中出现了非晶基体形成复合材料, 但同时也产生了大量脆性相和较为明显的孔洞缺陷, 试样整体塑性变差, 强度也下降, 直至非晶基体比例提高, 强度有所增强, 在全非晶试样中强度达到最大。全非晶状态下即x=50的过热处理试样, 力学性能良好, 屈服强度达到1734 MPa, 弹性较好, 几乎没有塑性, 属于典型的非晶材料。