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5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 4 应变速率对锆基非晶复合材料力学性能的影响 张亚娟1 ，寇生中1 ’2 ，李春燕1 ’2 ，袁小鹏1 ，赵燕春1 ’2 ，徐娇1 ，蒲永亮 1 ．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7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要采用铜模吸铸法制备出直径3m r n 的[ Z r 。7 2 x C u 。5 。N i 0 4 。 。2 。一，] 8 8 A 1 。2 T 一0 ．0 5 、0 ．1 0 棒状非晶 复合材料。考察应变速率对合金压缩力学性能的影响。结果表明，随应变速率的增大，合金的塑性变形 区域减小，锯齿流变现象逐渐消失；在相同成分下，随应变速率的增大，弹性模量逐渐升高，塑性应变和 抗压强度则逐渐降低，屈服强度和断裂强度也基本呈下降趋势。在z 一0 ．0 5 、应变速率为0 ．5 5 1 0 r 4 S _ 1 时，塑性应变、抗压强度和断裂强度均为最大值，分别为6 ．7 7 ％、17 5 8M P a 和16 2 9M P a 。 关键词大块锆基非晶复合材料；应变速率；断裂强度；塑性变形 中图分类号T G l 3 9 ．8文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 1 0 0 5 4 0 4 E f f e c t so fS t r a i nR a t e so nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fZ r - b a s e d B u l kM e t a l l i cG l a s sC o m p o s i t e s Z H A N G Y a - ju a n l ，K O US h e n g z h o n 9 1 ”，L IC h u n y a n l “，Y U A NX i a o p e n 9 1 ， Z H A OY a n c h u n l ～，X Y UJ i a 0 1 ，P UY o n g l i a n 9 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fN o n f e r r o u sM e t a lA l l o y sa n dP r o c e s s i n go ft h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，L a n z h o uU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t [ Z r o7 2 x C u o ．5 9 N i o ．4 1 0 2 8 ] 8 8 A 1 1 2 z 一0 ．0 5 ，0 ．1 0 b u l ka m o r p h o u sc o m p o s i t e sr o d sw i t ht h ed i a m e t e r so f3m mw e r ep r e p a r e db yc o p p e rm o l dc a s t i n gt e c h n i q u e ．T h ee f f e c t so fs t r a i nr a t e so nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa m o r p h o u sc o m p o s i t e sw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tp l a s t i cs t r a i na n ds e r r a t e df l o w d e c r e a s e sw i t hr i s eo fs t r a i nr a t e ．U n d e rt h es a m ea l l o yc o m p o s i t i o n ，e l a s t i c i t ym o d u l u se n h a n c e sw i t hr i s e o fs t r a i nr a t e ，w h i l ep l a s t i cs t r a i na n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s e ．O nt h ew h o l e ，y i e l ds t r e n g t ha n d f r a c t u r es t r e n g t ha l s od e c r e a s e ．T h ep l a s t i cs t r a i n ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n db r e a k i n gs t r e n g t hr e a c h e st h e m a x i m u mv a l u ew h i c hi s6 ．7 7 ％，17 5 8M P aa n d16 2 9M P a ，r e s p e c t i v e l yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fz 0 ．0 5 a n ds t r a i nr a t eo f0 ．5 5 1 0 4S ． K e yw o r d s Z r b a s e db u l km e t a l l i cg l a s sc o m p o s i t e s ；s t r a i nr a t e ；b r e a k i n gs t r e n g t h ；p l a s t i cs t r a i n 锆基非晶合金除了非晶形成能力较强外，还具 有较高的硬度、强度、断裂韧性、弹性和黏性流动性 等n “，但是在室温下的塑性变形能力小，极大地限 制了块体非晶合金的工程应用。因此研究影响其力 学性能的因素，进而改善其性能非常重要。由于非 晶合金变形的不均匀性，其力学性能对应变速率的 收稿日期2 0 1 3 0 7 1 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 6 1 0 0 8 ，5 1 0 6 1 0 0 8 , 9 7 3 计划前期研究专项 2 0 1 1 C B 6 1 2 2 0 3 5 甘肃省青年科技基金计划项目 1 1 0 7 R J Y A 2 7 5 作者简介张亚娟 1 9 8 8 一 ，女，河北沧州人，硕士研究生；通信作者寇生中 1 9 6 2 一 ，男，甘肃天水人，博士生导师 万方数据 2 0 1 4 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 变化十分敏感。许多研究均发现，不同应变速率下 非晶合金的力学性能明显不同。 B r u c k 等[ 5 3 的研究表明，在压缩载荷下，应变速 率对锆基非晶合金的性能没有影响。也有研究发 现，有些非晶合金的断裂强度随应变速率的升高而 升高[ 6 。7 ] 。M u k a i 和X u e 等[ 8 - 9 ] 的研究结果正好相 反，随着应变速率的增加，断裂强度降低、应变减小。 Z h a n g 等n 0 ] 对钛基非晶合金的研究结果表明，当应 变速率大于0 ．0 0 1s 叫时，随应变速率的增加，屈服 强度升高，但应变和锯齿流变现象均减小。当应变 速率低于0 ．0 0 1s 叫时，合金的力学行为受应变速率 的影响不大。黄永江等[ 1 1 ] 发现，非晶合金的应变敏 感性会随着晶体相析出量的增多而上升。陈德民 等[ 1 2 ] 在研究不同的应变速率下的外加钨丝增强 Z r 4 1 ．2T i 。3 ．8C u l 2 ．5N i l 。B e 2 2 ．s 块体非晶合金复合材料的 力学性能时发现，在准静态压缩下复合材料的强度 基本不变，塑性大幅度增大，动态压缩时复合材料的 最大抗压强度会上升。这些研究都证明不同的应变 速率下，非晶合金的力学性能各不相同，研究应变速 率对力学性能的影响，不仅有助于其在工程上的应 用，更能够对其室温冷加工工艺起到良好的指导作 用。因此，本文以E Z r o ．7 2 x C u 0 5 9 N i 0 4 1 o ．2 8 _ ] 8 8 A 1 1 2 z 一0 ．0 5 、0 ．1 0 为研究对象，考察应变速率对锆基 非晶复合材料力学性能的影响。 1 试验原料与方法 以高纯度锆 9 9 ．9 9 ％ 、铜 9 9 ．9 9 ％ 、铝 9 9 ．7 ％ 和镍 9 9 ．9 ％ 为原料，采用磁悬浮熔炼法， 在高纯氩气保护下制备设计成分为[ Z r 。．7 2 x C u 。 N i o ．4 1 o ．2 8 一，] 8 8 A l l 2 z 一0 ．0 5 、0 ．1 0 的母合金锭，为 保证合金成分均匀，每个母合金锭反复熔炼3 ～4 次。最后采用铜模吸铸法制备出直径3m m 的合金 棒材。 采用D 8A d v a n c e 型X 射线衍射仪对物相进行 分析。采用W D W 一1 0 0 D 型微机控制电子式万能机 对其进行准静态压缩，应变速率分别为0 ．5 5 1 0 - 4 S ～、0 ．5 5 1 0 _ 3s _ 1 和0 ．5 5X1 0 ．2s ～，用J S M - 6 7 0 0 F 场发射扫描电镜对压缩断口进行分析。 2 结果与讨论 2 ．1 物相分析 合金的X 射线衍射谱如图1 所示。 n u Z rNo 口泐 图1 合金的X R D 谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r n so fa l l o y s 从图1 可以看出，18 合金 z 一0 ．0 5 衍射谱上 存在少许晶态衍射峰，说明在非晶基体上有晶体相 析出，经j a d e 标定为N i Z r 。相，但衍射峰强度不高， 说明仅含有很少量的晶态相，其组织为非晶和少量 晶态相的混合组织。2 8 合金 z 0 ．1 0 X R D 谱中 出现明显的晶体衍射峰，经标定为C u Z r 。和N i Z r 相，且衍射峰强度明显升高，说明晶体相的含量随着 锆含量的增加而增加。该结果与徐坚等r 1 3 ] 的一致。 第一步晶化仅析出面心立方的N i Z r 型亚稳相，这 一转变有可能为扩散控制的初晶型晶化；随后转变 为体心四方的C u A 1 ，N i Z r z 相，该步转变可能是 共晶型转变。 2 ．2 应变速率对复合材料力学性能的影响 不同z 时E Z r o ．7 2 z C u 0 5 9N i 0 4 1 0 2 8 一。] 8 8A 1 1 2 合 金在不同应变速率下的力学性能见表1 。 表1不同应变速率下合金的力学性能 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa l l o y sa td i f f e r e n ts t r a i nr a t e √ 懈 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 期 从表1 可以看出，在相同合金成分下，随着应变 速率的增大，弹性模量均逐渐升高，塑性应变和抗压 强度则逐渐降低，屈服强度和断裂强度也基本呈下 降趋势。这与部分锆基‘“1 2 ’1 5 3 和镁基‘1 6 3 非晶及复合 材料的研究结果一致，而与多数的传统金属与脆性 材料的规律相反口川。这是因为，当变形速率升高 时，单位体积内参与流动的原子数增多，则所需的自 由体积数量大大增加，当需大于供时，自由体积将迅 速增加成为裂纹源，导致合金发生剪切断裂[ 1 8 3 ；同 对，随着应变速率的升高，当裂纹的扩展速度超过了 加载速度时，在变形达到材料真实强度之前合金就 会发生失效，因此合金的力学性能会下降。在相同 速率下，对比不同成分合金的力学性能，不难看出， z 0 ．0 5 合金的塑性应变、抗压强度和断裂强度均 高于z 一0 ．1 0 的合金，只有屈服强度低。这是由于 z 0 ．1 0 的合金晶化现象较为严重，而裂纹易于在 硬而脆的晶粒处形成，晶化相作为裂纹萌生的根源 会促进裂纹发展，从而使试样发生脆断u9 | 。其中， 在z 一0 ．0 5 、应变速率为0 ．5 5 1 0 1 4S - 1 时，塑性应 变、抗压强度和断裂强度均为最大值，分别为 6 ．7 7 ％、17 5 8M P a 和16 2 9M P a ；在z 0 ．1 0 、应变 速率为0 ．5 5 1 0 2s - 1 时，塑性应变、抗压强度和断 裂强度均为最小值，分别是2 ．7 ％、15 2 8M P a 和 14 4 0M P a 。 不同应变速率下，不同成分合金在室温下的准 静态压缩应力一应变曲线见图2 。 图2 不同应变速率下合金的应力应变曲线 F i g ．2C o m p r e s s i o ns t r e s s - s t r a i nC H IV E S o fa l l o ya td i f f e r e n ts t r a i nr a t e 从图2 可知，6 个试样均出现了一定程度的塑 性变形区域和锯齿流变现象。M u k a i 等[ 9 ] 对钯基非 晶合金的压缩变形行为的研究表明，随着应变速率 的升高，锯齿流变现象逐渐消失。当合金成分相同 时，对比图2 的曲线，可以看出，1 - 18 和2 - 1 8 试样的 塑性变形区域最长，锯齿流变现象最明显，塑性变形 区域随应变速率的增大而越小，锯齿流变现象也变 得越来越轻微，这与M u k a i 的研究结果一致。柳延 辉等[ 1 4 ] 的研究认为，应力应变曲线中锯齿流变行为 越明显，往往伴随着较大塑性的产生。图2 中1 1 8 和2 - 18 试样的曲线具有最大的锯齿，其塑性也是最 大的，而1 - 3 8 和2 - 3 8 试样的锯齿最小，塑性也是最 小的。说明应变速率与锯齿流变行为存在着一定的 联系，即应变速率越小，锯齿流变行为就越显著，合 金的塑性就越好。 不同应变速率下不同合金成分的室温压缩断口 的S E M 形貌如图3 所示。 从图3 可看出 1 1 - 18 和2 - 1o 试样的断口形貌均由大量较均 匀致密的脉络状花样组成 图3 a 、3 d ，原因是，在静 力加载条件下，应变速率越小，试样内萌生和扩展剪 切带传递局部应力以承载变形的时间就越长，合金 基体内应力的分布也越均匀[ 2 叩； 2 1 28 和2 - 28 试样的断口形貌中脉络状花样 较为稀疏 图3 b 、3 e ，在边缘开始出现少量的二次 剪切带，形成类根须状花样，且出现了脆性光滑区； 3 t - 3 8 和2 - 3 8 试样断口形貌出现大量的根须 状花样 图3 c 、3 f ，一般认为河流状花样是二次或三 次剪切带的增加导致的口，剪切带之间产生相互作 用可以抑制非晶合金沿某一主剪切带择优生长，导 致试样出现塑性变形。而这种根须状花样是沿着与 断面平行方向生长的，没有出现相互交错，这可能是 其塑性下降的原因。 因此，在相同成分时，随着应变速率的升高，脉 络状花样变得稀疏。有研究表明，断口表面上脉络 状花样的多少将决定块体非晶合金塑性的好坏[ 2 2 。， 结合图2 应力一应变曲线可以印证这一结论。 3结论 1 [ Z r o ．7 2 x C u o ．5 9N i o ．4 1 0 2 8 一z ] 8 8A 1 1 2 z2 0 ．0 5 、0 ．1 0 非晶合金试样的应力应变曲线均出现了 一定程度的塑性变形区域和锯齿流变现象。当应变 速率为0 ．5 5 1 0 ～．s - 1 时，试样的塑性变形区域最 长，锯齿流变现象也最显著。随着应变速率值的增 大，塑性变形区域减小，锯齿流变现象变得轻微。 2 在合金成分相同时，随着应变速率的增大，弹 性模量均逐渐升高，塑性应变和抗压强度则逐渐降 低，屈服强度和断裂强度也基本呈下降趋势。且在 日“I_∈∞∞墨∞ 万方数据 2 0 1 4 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 a 1 - I b I - 2 ． c 1 - 3 。 d 2 - I ’ e 2 - I ’ f 2 - 3 。 图3 不同应变速率下合金室温压缩断口的S E M 形貌 F i g ．3 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fc o m p r e s s i o nf r a c t u r eo fa l l o y sa tr o o mt e m p e r a t u r e a n dd i f f e r e n ts t r a i nr a t e X - - 一．0 ．0 5 、应变速率为0 ．5 5 1 0 1 4S - 1 时，塑性应变、 抗压强度和断裂强度均为最大值，分别为6 ．7 7 ％、1 7 5 8M P a 和16 2 9M P a ；在z 0 ．1 0 、应变速率为 0 ．5 5 1 0 qS 1 时，塑性应变、抗压强度和断裂强度 均为最小值，分别是2 ．7 ％、15 2 8M P a 和14 4 0 M P a 。 3 在相同速率下，z 一0 ．0 5 成分合金的塑性应 变、抗压强度和断裂强度均高于z 一0 ．1 0 的合金， 而只有屈服强度低于z 一0 ．1 0 的合金。 参考文献 [ 1 ] I n o u eA ．S t a b i l i z a t i o no fm e t a l l i cs u p e r c o o l e dl i q u i da n d b u l ka m o r p h o u sa l l o y s [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 0 ，4 8 1 2 7 9 - 3 0 6 ． [ 2 ] 申玉田，崔春翔，徐艳姬．大块非晶合金制备原理与技 术[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 4 ，3 3 5 4 5 9 4 6 3 ． [ 3 3 李超，寇生中，赵燕春，等．铜镍合金化及半固态处理工 艺对Z r C o A I 系非晶合金组织的影响[ J ] ．有色金属 冶 炼部分 。2 0 1 3 1 0 4 5 - 4 7 ． [ 4 ] 蒋维科，寇生中，赵燕春，等．镍含量对 Z r o ．。。 C u 0 1 。。一，A 1 。。N i ，非晶形成能力和力学性能的影响 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 4 9 5 1 ． [ 5 3B r u c kHA ，R o s a k i sAJ ，J o h n s o nWL ．T h ed y n a m i c c o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fb e r y l l i u mb e a r i n gb u l km e t a l l i c g l a s s e s [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sR e s e a r c h ，1 9 9 6 ，1 1 2 5 0 3 - 5 1 1 ． [ 6 3L iH 。S u b h a s hG ，G a oXL ，e ta 1 ．N e g a t i v es t r a i nr a t e s e n s i t i v i t ya n dc o m p o s i t i o n a ld e p e n d e n c e o f f r a c t u r e s t r e n g t hi nZ r ／H fb a s e db u l km e t a l l i cg l a s s e s [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 3 ，4 9 1 1 1 0 8 7 - 1 0 9 2 ． [ 7 ] L i uLF ，D a iLH ，B a iYL ，e ta 1 ．S t r a i nr a t e - d e p e n d e n t c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fN d ．- b a s e db u l km e - t a l l i cg l a s s [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s ，2 0 0 5 ，1 3 8 8 2 7 8 3 2 ． [ 8 3X u eYF ，C a iHN ，W a n gL ，e ta 1 ．E f f e c to fl o a d i n gr a t e o nf a i l u r ei nZ r - b a s e db u l km e t a l l i cg l a s s [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 8 ，4 7 3 1 ／2 1 0 5 1 1 0 ． [ 9 3M u k a iT ，N i e hTG ，K a w a m u r aY ，A ，e ta 1 ．E f f e c to f s t r a i nr a t eo nc o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fP 也oN h oP 2 0b u l k m e t a l l i cg l a s s [ J ] ．I n t e r m e t a l l i e s 。2 0 0 2 ，1 0 1 1 ／1 2 1 0 7 1 1 0 7 7 ． [ 1 0 3Z h a n gJ ，P a r kJM ，K i mDH ，e ta 1 ．E f f e c to fs t r a i nr a t e o nc o m p r e s s i v eb e h a v i o ro fT i ．5Z r l 6N i 9C u l oB e z ob u l k m e t a l l i cg l a s s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g A ，2 0 0 7 ，4 4 9 4 5 1 2 9 0 2 9 4 ． [ 1 1 3H u a n gYJ ，Z h a n gW ，S h e nJ ．I n f l u e n c eo ft h eC r y s t a l l i n eP h a s eo nS t r a i n R a t eS e n s i t i v i t yo fZ r - C u N i A l B u l kM e t a l l i cG l a s sa tR o o mT e m p e r a t u r e [ J ] ．M e t a l ． a n dM a t e r ．T r a n sA 。2 0 1 2 ，4 3 1 3 5 2 0 2 5 2 0 8 ． 下转第6 1 页 万方数据 2 0 1 4 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 向边部变形逐渐减小。 4 模拟得到的温度场数据与实际数据误差小于 5 ％，变形场分布情况和实际情况相符。 5 降低温度和减小轧制力可减小轧辊变形量。 参考文献 [ 1 3 赵志国．热轧过程中轧辊的温度场和应力场分析I - 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1 2 2 5 ． [ 1 9 ] 赵燕春，寇生中，李春燕，等．T k ，N i 。C u 。。非晶复合 材料的组织和力学性能研究[ J ] ．功能材料，2 0 1 2 ，2 3 4 3 2 2 7 3 2 2 7 6 ． [ 2 0 ] 陶平均，杨元政，白晓军．应变速率对 Z r ，。C u m 。 N i 。。 。。A 1 。。大块非晶合金超塑性变形行为的影响E J ] ． 功能材料，2 0 1 1 ，4 2 1 1 0 1 3 ． [ 2 1 ] K u s yM ，K n h nU ，C o n c u s t e l lA ．F r a c t u r es u r f a c em o t p h o l o g yo fc o m p r e s s e db u l km e t a l l i cg l a s s - m a t r i x c o r n - p o s i t e sa n db u l km e t a l l i cg l a s s [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s ， 2 0 0 6 ，1 4 8 ／9 9 8 2 9 8 6 。 [ 2 2 ] 惠希东，陈国良．块体非晶合金[ M ] ．北京化学工业 出版社，2 0 0 7 4 7 4 0 ． 万方数据