合肥工大祖方遒:高流变成型方法对Zr基块体非晶压缩塑性的作用规律




       块体非晶具有优异的力学、弹性等性能,然而其差的室温塑性使得其在外力作用下易发生灾难性失效,严重制约其作为结构材料的应用。为改善其塑性,科学家们尝试了诸多方法但均未取得突破性进展。


       基于Johnson发明的块体非晶脉冲电流快速热塑性成型法创新并发展出高流变成型方法(High Rheological Rate Forming,HRRF),即利用脉冲电流快速(105~106K/s)将块体非晶升温至过冷液相区,在预设压力下,过冷液体经充型窄通道获得超高流变速率而实现液相超常非均匀变形,且迅即填充模腔并快冷获得轮廓清晰的零件,整个过程仅需10~20ms。前期研究表明,HRRF法可显著强化Zr48Cu36Al8Ag8块体非晶微观结构不均匀性,HRRF后样品内部“软区”更软,“硬区”更硬;在成型同时可显著提高非晶塑性,室温压缩塑性经二次成型由铸态的约0.1%提高到2.0%。因此,HRRF法可有望彻底改变块体非晶长期受限于低塑性的尴尬局面,然而该法对其它Zr基非晶塑性的作用规律如何仍有待探索。


       以Zr48Cu36Al8Ag8块体非晶为研究对象,利用课题组自主设计的高流变成型装置成型该块体非晶。对HRRF前后样品均进行压缩试验及其断口SEM观察,然后分析其压缩应力-应变曲线及断口剪切带行为特征,探究了HRRF法对该块体非晶压缩塑性的作用规律。




       由高纯金属(4N)按原子百分比配制Zr48Cu30Al8Ag8Pd6,在高纯氩气保护下,翻转重熔样品四次,并辅以电磁搅拌以确保其化学均匀性,然后吸铸到内腔尺寸为准6mm×120mm的水冷铜模中获得长棒试样。长棒试样经金刚石切割机切为长20mm的HRRF试样,后利用HRRF法获得成型后样品,成型预设压力为5.1kN,成型电压145V。HRRF前后样品的非晶本质均由XRD与DSC结果证实。


       将Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后样品均加工为准2mm×4mm的圆柱试样,然后在材料万能试验机上进行单轴压缩试验,应变速率为4×10-4s-1,从而获取HRRF前后样品的压缩应力-应变曲线。之后,利用扫描电镜对HRRF前后的样品压缩表面形貌进行观察,以分析HRRF前后的样品剪切带行为信息。




       图1为Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的样品XRD图。可看出,HRRF前后存在明显的漫散射峰,说明样品均为非晶态。



图1:Zr48Cu30Al8Ag8Pd6合金HRRF前后的样品XRD图


       图2为10K/min升温速率下Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的DSC曲线。可观察到明显的过剩自由体积焓变、玻璃转变吸热台阶与晶化放热峰。DSC所标定的HRRF前后样品的特征参数见表1。可看出,HRRF后样品的过剩自由体积焓变值ΔHrel由HRRF前的11.3J·g-1增加到13.3J·g-1,表明其内部软区中的自由体积增多。同时,其焓变开始温度Tβ也大幅提前28K,表明其内部软区中的原子在更低的温度下即开始运动。此外,HRRF后样品的玻璃转变温度Tg提前,过冷液相区间宽度ΔTx变宽且晶化温度Tx滞后,这是HRRF法显著改变该块体非晶的微观结构所致。



图2:10K/min升温速率下Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的DSC曲线



表1:DSC曲线标定的Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的样品特征参数值


       图3为Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后样品在室温下的压缩应力-应变曲线,相应地,可获得HRRF前后样品的屈服强度σy、断裂强度σf和塑性变形量εp,列于表2。可看出,Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF后样品的εp由HRRF前的1.0%增加到5.1%,σy由1577MPa减少到1496MPa,σf则由1865MPa增加到1954MPa,这与前期研究结果一致,表明HRRF法在不损害Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶强度的同时,显著增加了其压缩塑性。


图3:Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后样品的压缩应力-应变曲线



表2:Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后样品压缩应力-应变曲线特征参数值


       图4为Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的SEM图。由图4(a)可看出,HRRF前样品表面上存在一定数量且尚未完全扩展的剪切带(白框内),同时可见一条剪切台阶较浅并发生分叉的剪切带。从图4(b)可看出,HRRF后样品表面上除了数量众多且尚未完全扩展的剪切带外,还存在诸多方向各异且台阶明显的剪切带,其剪切带发生了交割、分叉和阻止。


图4:Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF前后的SEM图


       在压缩应力下,当压缩强度达到σy时,块体非晶内部开始形成剪切带,开始塑性变形。由于HRRF后样品内部软区更软,且其内部热力学不稳定的自由体积显著增加,因而HRRF后样品内部剪切转变更易发生,剪切带将提前优先在其软区内大量均匀形核,所以,HRRF后样品σy较HRRF前的显著下降。随着压缩的不断进行,块体非晶内部剪切带不断形成与扩展,而HRRF法显著强化了块体非晶内部微观结构不均匀性并使其硬区更硬,因此HRRF后样品内部剪切带的扩展将严重受阻。


       这改变了其剪切带的传播方向并促进其大量增值,同时使其“加工硬化”作用更加明显,因而其σf较HRRF前的显著增大。随着塑性变形的不断增加,硬化区内将开始形成剪切带以承担更大的塑性变形;同时HRRF后样品内部数量众多且方向不同的剪切带不断扩展演化并发生严重的交割、分叉和阻止,且逐渐连接成剪切带网络,使块体非晶可承担更大的塑性变形,因而HRRF后样品的压缩塑性显著提高。


       当剪切带贯穿样品后,样品并非立即断裂,剪切带的不连续变形反而承担了更大的塑性变形量,其在压缩应力-应变曲线上以锯齿流变形式呈现,见图3内的插图,可看出HRRF后样品较HRRF前的表现出更加明显的锯齿流变行为,这从锯齿流变角度再次证实了HRRF法对该块体非晶有显著增塑的效果。



       (1)Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF后样品的εp由HRRF前的1.0%增加到5.1%,σy由1577MPa减少到1496MPa,σf则由1865MPa增加到1954MPa,其压缩应力-应变曲线也表现出更加明显的锯齿流变行为,这表明HRRF法在不损害Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶强度的同时,可显著增加其压缩塑性。


       (2)Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶HRRF后压缩样品表面上分布着数量众多且方向不同的剪切带,剪切带台阶明显并发生交割、分叉和阻止,且逐渐连接成剪切带网络,使块体非晶可承担更大的塑性变形;而HRRF前的样品中仅观察到数条剪切台阶较浅的剪切带,这也表明HRRF能显著增加该BMG的压缩塑性。


来源:热加工工艺 2018年第47卷第20期  吕龙 张启东 马郁柏 刘保串 李小蕴 祖方遒《高流变成型方法对Zr48Cu30Al8Ag8Pd6块体非晶压缩塑性的作用规律》


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