不同微觀結(jié)構(gòu)zr55al10ni5cu30塊體非晶合金的晶化過程

1、第28卷第6期2014年6月材料研究學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFMATERIALSRESEARCHVol.28No.6June2014不同微觀結(jié)構(gòu)Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金的晶化過程閆紅紅胡勇李永堂閆志杰趙達(dá)文郭一娜(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室太原030024)摘要用差示掃描量熱儀分別對(duì)具有相似晶體體積分?jǐn)?shù)和晶化激活能的Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金鑄態(tài)、軋制

2、態(tài)試樣進(jìn)行等溫和連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)研究了不同微觀結(jié)構(gòu)塊體非晶合金的晶化過程。結(jié)果表明在晶化初期(小于30min)兩個(gè)試樣具有相似的晶化速率晶化后期(大于30min)軋制態(tài)試樣表現(xiàn)出較快的晶化速率。這在一定程度上表明用JMA公式和晶化開始溫度Tx及峰值溫度Tp計(jì)算出的晶化激活能不能全面反映非晶合金的熱穩(wěn)定性。另外剪切帶中原子之間相互聯(lián)接的減弱以及短程有序的強(qiáng)化使軋制態(tài)試樣熱穩(wěn)定性降低和晶化過程變快。關(guān)鍵詞金屬材料非晶合金晶化過程微觀結(jié)構(gòu)分類號(hào)T

3、G139文章編號(hào)10053093(2014)06042706CrystallizationProcessofZr55Al10Ni5Cu30BulkMetallicGlasseswithDifferentMicrostructureYANHonghongHUYongLIYongtangYANZhijieZHAODawenGUOYina(ShanxiKeyLabatyofMetallicMaterialsFmingTheyTechnolog

4、ySchoolofMaterialsScienceEngineeringTaiyuanUniversityofScienceTechnologyTaiyuan030024)SupptedbyNationalNaturalScienceFoundationofChinaNo.51204118ProgramftheTopYoungAcademicLeadersofHigherLearningInstitutionsofShanxi(2013

5、)ResearchProjectSupptedbyShanxiScholarshipCouncilofChinaNo.2013094NaturalScienceFoundationofShanxiProvinceNos.2011021020120120210183.ManureceivedFebruary112014inrevisedfmApril72014.TowhomcrespondenceshouldbeaddressedTel:

6、(0351)6998126Email:hytyust@ABSTRACTThecrystallizationprocessoftheascastasrolledZr55Al10Ni5Cu30bulkmetallicglasseswhichhavesimilarcrystallizationfractioncrystallizationactivationenergybutdifferentmicrostructurewasinversti

7、gatedbymeansofdifferentialscanningcalimeter(DSC)withisothermalcontinuousheating.Theresultsshowthatthetwometallicglassesexhibitsimilarcrystallizationrateintheinitialstageofcrystallization(until30min)whilethecrystallizatio

8、nrateoftheasrolledoneisfasterthanthatoftheascastoneinthelaterstageofcrystallization(after30min)howeveraccdingtoJMAequationthecrystallizationactivationenergydeducedfromcrystallizationonsettemperatureTxcrystallizationpeakt

9、emperatureTpcannotgiveacomprehensiveexplanationonthethermalstabilityofmetallicglasses.Inadditiontheweakeningofatomicbindingfcesstrengtheningofshtrangederintheshearbsmaydecreasethethermalstabilitytherewithenhancethecrysta

10、llizationrateoftheasrolledZr55Al10Ni5Cu30metallicglass.KEYWDSmetallicmaterialsmetallicglasscrystallizationprocessmicrostructure非晶合金具有與液態(tài)金屬相似的結(jié)構(gòu)即長程無序、短程有序[1]。這使其具有優(yōu)異的性能[23]比如高強(qiáng)度和硬度、高彈性變形極限、低彈性模量、高耐腐蝕性和優(yōu)異的軟磁性能。但是非晶合金在熱力學(xué)上處

11、于亞穩(wěn)狀態(tài)在加熱過程或變形過程中通常發(fā)生結(jié)構(gòu)變化[47]從而對(duì)其服役安全性產(chǎn)生一定的影響。因此研究非晶合金的熱穩(wěn)定性對(duì)理解其微觀結(jié)構(gòu)變化和改善其綜合性能都有重要的意義。Zr55Al10Ni5Cu30是一種典型的塊體非晶合金[8]臨界尺寸可達(dá)30mm且不含有貴金屬和有毒元素受到關(guān)注[915]。非晶合金的晶化與其試樣的初始狀態(tài)國家自然科學(xué)基金51204118山西省高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計(jì)劃(2013)山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目201

12、3094山西省自然科學(xué)基金20110210201和20120210183資助項(xiàng)目。2014年2月11日收到初稿2014年4月7日收到修改稿。本文聯(lián)系人:胡勇6期閆紅紅等:不同微觀結(jié)構(gòu)Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金的晶化過程有的無序點(diǎn)狀襯度沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的晶格條紋。這說明鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣均為非晶結(jié)構(gòu)。圖3a給出了鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣的DS

13、C曲線。每條DSC曲線都包含一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變的吸熱臺(tái)階、一個(gè)過冷液相區(qū)和一個(gè)晶化放熱峰表明兩個(gè)試樣具有相似的熱學(xué)行為。對(duì)400K至720K范圍內(nèi)的曲線進(jìn)行放大發(fā)現(xiàn)軋制態(tài)試樣的結(jié)構(gòu)弛豫峰(放熱峰)明顯大于鑄態(tài)試樣如圖3b所示。由DSC曲線得到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)列于表1。由表1可知兩個(gè)試樣除了結(jié)構(gòu)弛豫焓DHr和玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg明顯不同外晶化開始溫度Tx、晶化峰值溫度Tp、晶化焓DHc和晶化激活能Ep幾乎相同。與鑄態(tài)試樣相比變形量為95%的軋制態(tài)試樣

14、的自由體積含量顯著增加同時(shí)最近鄰配位數(shù)增加、最近鄰半徑減小即短程有序度得到了一定程度的強(qiáng)化[1315]。這就意味著鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)試樣具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。為了研究不同微觀結(jié)構(gòu)對(duì)Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金晶化過程的影響用差示掃描量熱儀分別對(duì)鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣在715K進(jìn)行等溫退火。當(dāng)試樣溫度降低到室溫后再進(jìn)行連續(xù)升溫實(shí)驗(yàn)加熱速度為20Kmin結(jié)果如圖4所示。隨著等溫退

15、火時(shí)間的延長兩個(gè)試樣的晶化峰面積都逐漸減小。這說明等溫時(shí)間越長非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)越趨向于有序化。在715K等溫退火過程中可根據(jù)DSC曲線的晶化峰面積估算出試樣的晶體體積分?jǐn)?shù)Vf即Vf=(ΔHmaxΔH)ΔHmax(1)其中DHmax為完全非晶合金轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆B(tài)合金釋放的總的熱焓DH為試樣在715K退火不同時(shí)間后的晶化焓。在此可認(rèn)為兩個(gè)試樣在715K退火前均為完全的非晶結(jié)構(gòu)其晶體體積分?jǐn)?shù)為零。由此可得兩個(gè)試樣在715K退火不同時(shí)間后的晶體

16、體積分?jǐn)?shù)結(jié)果如表2所示。在715K等溫退火55min后軋制態(tài)試樣的晶體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到94.3%而鑄態(tài)試樣的晶體體積分?jǐn)?shù)僅為81.8%。為了直觀地比較鑄態(tài)和軋制態(tài)試樣的晶化速率圖4c給出了晶化峰面積與等溫退火時(shí)間之間的關(guān)系。由圖4c可知當(dāng)退火時(shí)間小于30min時(shí)軋制態(tài)試樣的晶化速率稍稍高于鑄態(tài)試樣但區(qū)別不大當(dāng)退火時(shí)間超過30min后軋制態(tài)試樣的晶化速率明顯增加。這些結(jié)果表明軋制變形在一定程度上降低了Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金

17、的熱穩(wěn)定性加速了其晶化過程。為了表征非晶合金的熱穩(wěn)定性通常使用JMA公式計(jì)算非晶合金的晶化激活能。但Kempen等發(fā)圖3鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣在20Kmin加熱速率下的DSC曲線和局部放大圖Fig.3DSCcurvesoftheascastZr55Al10Ni5Cu30specimenthatrolleduptoe=95%ataheatingrateof20Kmin(a)wholecurves(b

18、)magnifiedcurves表1鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣在20Kmin加熱速率下的熱力學(xué)參數(shù)[13]Table1ThermodynamicparametersoftheascastZr55Al10Ni5Cu30specimenthatrolleduptoe=95%ataheatingrateof20Kmin[13]SampleAscastAsrolledTg(K)681671Tx(K)76476