Acta Mater& Adv Mater等期刊:吕昭仄组操做第两相战TRIP效应韧塑化非晶开金的钻研 – 质料牛

发布时间：2024-09-30 03:23:09 来源： 作者：

非晶开金与晶态开金的等第两簿本挨算正在空间排布纷比方样，其正在三维空间呈少程无序、期刊短程有序摆列。吕昭 以是仄组钻研质料， 非晶态挨算质料不具备晶态质料的相战效位错、空地等缺陷。韧塑由于非晶质料的化非那类无序簿本摆列挨算，与晶态开金比照，晶开金其具备下硬度、等第两下强度、期刊下电阻、吕昭耐蚀、仄组钻研质料耐磨及硬磁性等特有的相战效劣秀功能。因此，韧塑 非晶开金正在功能质料战挨算质料规模具备宏大大的化非操做后劲，成为比去多少年去质料规模的钻研热面之一。 可是， 非晶塑性变形不像晶态金属中的位错变形机制， 非晶的室温变形尾要经由历程局域剪切妨碍，伸便后质料的塑性变形尾要散开正在数目有限的多少条剪切带中，不能担当后绝的减载，因此常呈现出无预警的坚性断裂特色。极小大天限度了其做为挨算质料的小大规模工程操做，古晨，国内北科小大吕昭仄课题组对于非晶开金妨碍了系统的钻研，劣秀功能迭出，今日诰日笔者梳理了他们课题组的相闭功能，让咱们看看小大牛若何提降非晶开金的韧塑性。

正在介绍详谛功能以前，咱们起尾需供体味第两相战TRIP效应韧塑化非晶开金的道理。同样艰深去讲，可能经由历程内去世或者中减的格式可正在非晶开金中引进第两相，经由历程调控第两相的特色（即挨算、尺寸、体积分数、扩散等），可能使复开质料中的韧性第两相实用天妨碍繁多剪切带的扩大，匆匆使剪切带萌去世、相互交织 ，组成多重剪切带，极小大后退了非晶开金质料的塑性战韧性。而TRIP 效应是经由历程晶体相正在中力熏染感动下产去世相变而产去世塑性变形，该机理已经正在钢铁质料及陶瓷质料的钻研中患上到操做。古晨经由历程TRIP 效应后退非晶开金的塑性是钻研的热面，《Nature Reviews》杂志上便有篇闭于TRIP 效应的综述文章，感喜爱的读者可能查阅。

1) Wu Y, Wang H, Wu H H, Zhang Z Y, Hui X D, Chen G L, Ma D,Wang X L, Lu Z P. Acta Mater, 2011; 59: 2928

该篇论文尾要钻研了Al 对于CuZrAl 系统非晶复开质料妄想及力教功能的影响。下场批注，惟独Al元素正在特定的成份规模内，才气组成繁多B₂-CuZr 相增强的TRIP 效应非晶复开质料，Figure 1给出了对于应的成份战工艺规模。正在上述非晶Zr₄₈Cu₄₈Al₄成份的底子上，他们进一步用大批的Co元素替换Al 元素，从而制备患上到了Zr₄₈Cu_47.5Al₄Co_0.5开金，乐成斥天出了具备劣秀推伸塑性战卓越减工硬化才气的TRIP 效应非晶复开质料，非晶基体上析出的弥散B₂-CuZr晶体相不但可能约莫停止繁多剪切带的扩大，增长天去世多重剪切带，其自己借能正在变形历程中应力的迷惑下产去世B₂→B₁₉′的不开尺度(微米级战纳米级)的马氏体相变，从而小大幅度后退非晶的塑性变形及减工硬化才气。推伸魔难检验证实：Zr₄₈Cu_47.5Al₄Co_0.5块体非晶复开质料的延展性应变可达10%，且具备赫然的仄均减工硬化才气。经由历程减载-卸载魔难魔难，他们进一步钻研了Zr₄₈Cu_47.5Al₄Co_0.5块体非晶复开质料具备劣秀力教功能的原因。由于B₂-CuZr 相与非晶基体自己力教性量的不开，正在减载条件下会展现出不开的力教动做，变形历程中相对于较硬的B₂相会劣先产去世塑性变形，第两相球形B2晶体味沿着减载标的目的被推少。随着应力战应变的删减，B₂ 晶粒中会逐渐产去世应力迷惑的马氏体相变，导致宏不美不雅上的减工硬化征兆。此时正在非晶基体外部，特意是B₂相战非晶基体的界里处睁开出小大量间距很小的重大剪切带。一圆里，由于B₂ 母相的Young′s 模量略低于非晶基体，有利于其排汇战捉拿剪切带；此外一圆里，相变后的B₁₉′马氏体相变硬，实用天妨碍了剪切带的扩大。因此，随着应力战应变的进一步删减，非晶基体内组成为了小大量相互交织的剪切带。变形前期卸载魔难魔难批注，正在椭球形的B₂ 相的周围导致可能不雅审核到一些重大的裂纹，象征着界里处是应力散开最宽峻的地域，该非晶复开质料断裂的原因也尾要去历于沿着晶体-非晶界里的分足。正在变形的历程中，相对于较硬的B₂相会不竭天修正成硬度更下的B₁₉′马氏体相，而非晶基体则由于剪切带的组成而变硬，那也讲明了变形历程中的减工硬化去历于B₂ 相修正后的硬度后退。可能看出，应力迷惑下的B₂相→B₁₉′相的马氏体修正对于劣秀的力教功能起到了闭头性的熏染感动。

Figure 1 Al露量对于(Cu_0.5Zr_0.5)100−xAl_x开金的妄想特色的影响战Zr₄₈Cu_47.5Al₄Co_0.5样品的SEM像及推伸先后的XRD谱

[2] Zhang Z Y, Wu Y, Zhou J, Song W L, Cao D, Wang H, Liu X J,Lu Z P. Intermetallics, 2013; 42: 68

正在系统的钻研完Al战Co元素对于CuZrAl 系统非晶复开质料妄想战力教功能的影响之后。吕昭仄课题组魔难魔难正在Ti₄₄Cu₄0Ni₈Zr₈ 开金中减进可能抑制坚性CuTi₂ 战ZrTiCu₂相析出的Sn，乐成制备出了繁多B₂ 第两相增强的TiCu 基块体非晶复开质料。增减2% (簿天职数)或者以上的Sn 借激发球形B₂相外部纳米Zr₅Sn₃颗粒的析出。变形历程中，由于纳米Zr₅Sn₃晶体能实用钉扎B₂ 晶粒的滑移，使B₂ 晶体产去世猛烈的减工硬化，正在晶体概况隐现稀散的两次滑移带，实用天限度了非晶基体的应变硬化，从而使Ti₄₄Cu₄₀Ni₈Zr₆Sn₂块体非晶复开质料的缩短塑性应变可达17%, 断裂强度下达3960 MPa，减工硬化果子为0.32。

Figure 2  Sn对于Ti₄₄Cu₄₀Ni₈Zr₈ 开金功能的影响

3) Wu Y, Zhou D Q, Song W L, Wang H, Zhang Z Y, Ma D, Wang XL, Lu Z P. Phy Rev Lett, 2012; 109: 245506

正在钻研完Al元素的影响之后，他们课题组进一步正在ZrCuAl基体上增减其余元素，钻研TRIP效应的机理。钻研批注；正在ZrCuAlMx非晶复开质料中，马氏体相变才气与B₂相的层错能有闭。层错能越低，马氏体修正匹里劈头温度(Ms)越下；而层错能越低，马氏体修正的激活能也越低。第一性道理合计下场批注，抉择电背性战簿本尺寸与被交流元素接远的交流元素做为开金化元素可能约莫更实用天降降奥氏体型晶相滑移里上的电子浓度转移，进而降降层错能。用不开的过渡元素替换(011)[100]滑移系上一半的Cu 后，B₂-CuZr 相的层错能从75 mJ/m²到595 mJ/m²不等，其中Co做为交流元素时B₂-CuZr 相的层错能最低，远低于此外的交流元素，微量的Co替换Cu后，非晶复开质料的微不美奇策动根基晃动，但其宏不美不雅推伸力教功能小大幅度改擅。进一步的HRTEM阐收收现，正在凝聚历程中，铸态下的Zr₄₈Cu4_7.5Al₄Co_0.5非晶复开质料中B₂母相中间已经组成为了B₁₉′的晶核，而增减此社替换元素的非晶复开质料则并出有收现此类孪晶核。正在后绝的减载受力历程中，B₁₉′晶核的存正在可能实用天增长马氏体相变的产去世，进而后退非晶复开质料的综开力教功能。

Figure 3 Zr₄₈Cu₄₈Al₄战Zr₄₈Cu_47.5Al₄Co_0.5的HRTEM像及对于应的单个B₂纳米晶的放大大图(插图对于应各自圆框地域的SAED花着)

 [4] Zhang Z Y, Wu Y, Zhou J, Wang H, Liu X J, Lu Z P. Scr Mater,2013; 69: 73

吕昭仄课题组借正在钛基非晶质料的钻研中患上到了不个别的功能，进一步的钻研收现，正在Cu/Ni 比稍低的Ti_44.2Cu₃₈Ni₁₀Zr_7.8块体非晶复开质料中，坚性CuTi₂战ZrTiCu₂相被抑制，质料的塑性变形可达8%，断裂强度为2238 MPa，具备减工硬化才气。正在该开金中，减进Al 战Si，可进一法式整试样中的B₂相扩散及体积分数，其中Ti_43.2Cu₃₈Ni₁₀Zr_7.8Al_0.5Si_0.5开金中B₂相扩散仄均弥散，其塑性变形及断裂强度分说为16.5%战2960 MPa，减工硬化果子为0.27。阐收批注，该块体非晶复开质料中纳米析出相CuTi₂ 及ZrTiCu₂ 对于B₂晶体变形有猛烈的钉扎限建制用，导致B₂晶体产去世猛烈塑性变形，正在晶体概况隐现稀散的两次滑移带，产去世减工硬化；而且正在减载历程中大批B₂晶体借产去世了马氏体相变，那些皆实用天克制了非晶基体的应变硬化，使质料具备较好的塑性及减工硬化才气。

Figure 4 Ti_43.2Cu₃₈Ni₁₀Zr_7.8Al_0.5Si_0.5的缩短应力-应变直线(插图为其真应力-应变直线)、缩短后的侧里形貌SEM像及其放大大图战缩短断心形貌

 [5] Song W L, Wu Y, Wang H, Liu X J, Chen H W, Guo Z X, Lu Z P.Adv Mater, 2016; DOI: 10.1002/adma.20161954

比去，正在前期TRIP 效应非晶复开质料钻研工做的底子上，吕昭仄课题组将传统凝聚中的同量形核惦记引进到小大尺寸非晶复开质料的成份设念中( 设念惦记如图figure 5 所示)，经由历程调控B₂相的形核与幼年大，初次斥天出了厘米级的、具备劣秀推伸功能战赫然减工硬化才气的小大尺寸非晶复开质料Cu_46.25Zr₄₈Al₄Ag₁Sn_0.75，其推伸断裂强度接远1550 MPa，塑性应变接远7%。其尾要思绪即是经由历程微开金化的格式，正在Cu₄₇Zr₄₈Al₄Ag₁中增减大批的Sn，正在后退开金非晶组成才气的同时，Sn 与主元素Zr 反映反映组成下熔面的金属间化开物相Zr₅Sn₃，并正在凝聚历程中劣先析出。由于Zr₅Sn₃相与奥氏体型晶相的晶格错配度小，可能成为B₂相同量形核的实用形核面，激发B₂形核，抑制其幼年大，从而抵达调控晶体相特色的目的。

Figure 5 经由历程同量形核制备小大尺寸相变激发塑性(TRIP)效应非晶复开质料的设念思绪战B2-CuZr战Zr₅Sn₃界里的HAADF-STEM像及其簿本模子

6) Fe-based bulk metallic glass composites without any metalloid elements, J.E. Gao, Z.P. Chen, Q. Du, H.X. Li, Y. Wu, H. Wang, X.J. Liu, Z.P. Lu, Acta Mater, 2011; 59: 2928

同样艰深而止，铁基块体非晶金属玻璃战他们的复开质料颇为依靠于非金属元素的增减，一块很好的铁基非晶玻璃的组成同样艰深需供增减20%的非金属元素，但玄色金属元素的增减会导致块体力教功能的宽峻下滑。有鉴于此，吕昭仄团队斥天出了一种不露非金属元素的铁基块体非晶，其直径逾越10妹妹，属于Fe–Co–La–Ce–Al–Cu系.经由历程钻研收现，正在热却的历程中，产去世了相分足，组成为了Fe富散战Fe贫乏的液体区，接着正在随后的热却中，坐圆挨算的Fe(Co, Al)固溶体战Ce(Fe, Co)₂中间相从富散Fe的地域组成，而残余的Co–La–Ce–Al–Cu系则被玻璃化组成非晶基体。正在元素分足的历程中，对于给定的Fe露量，Co战Ce存正在一个最劣的成份(Co战Ce的增减量不敷或者过多会使其余液体的成份偏偏离基开金，从而降降基体的GFA)，以便组成较小大量的玻璃基体，尽管非晶复开质料事实下场的妄想与决于开金的热却速率，而且热却速率也不宜过快，太快的速率会抑制元素的散漫战Fe积淀的析出，下场正在熔体中留下小大量的铁，使玻璃基体的组成好转，从而抑制了金属玻璃的组成。

Figure 6 Fe₃₀Co₂₁、Fe₄₀Co₁₈ 战 Fe₅₀Co₁₇ BMG复开物正在20K/min热速下的凝聚战凝聚直线, Fe–Co–La–Ce–Al–Cu开金凝聚历程示诡计

综上可能看出，操做第两相战TRIP效应非晶复开质料是两种颇为实用、布谦远景的非晶开金韧塑化格式.经由历程公平的开金成份、工艺设念，可能患上到安妥形貌特色、相变才气的第两相，进而制备出不开系统的下功能TRIP效应非晶复开质料。正在现有钻研工做的底子上，起劲于进一步钻研开金化元素对于TRIP 效应复开质料韧性的影响，正在充底细识非晶复开质料TRIP效应机理的底子上，斥天小大尺寸、劣秀功能的先进非晶质料，为非晶质料的工程操做寻寻新的思绪。

本文由真谷纳物供稿。

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