不同微觀結構zr55al10ni5cu30塊體非晶合金的晶化過程

1、第28卷第6期2014年6月材料研究學報CHINESEJOURNALOFMATERIALSRESEARCHVol.28No.6June2014不同微觀結構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文郭一娜(太原科技大學材料科學與工程學院金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室太原030024)摘要用差示掃描量熱儀分別對具有相似晶體體積分數(shù)和晶化激活能的Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金鑄態(tài)、軋制

2、態(tài)試樣進行等溫和連續(xù)升溫實驗研究了不同微觀結構塊體非晶合金的晶化過程。結果表明在晶化初期(小于30min)兩個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化使軋制態(tài)試樣熱穩(wěn)定性降低和晶化過程變快。關鍵詞金屬材料非晶合金晶化過程微觀結構分類號T

3、G139文章編號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)金屬相似的結構即長程無序、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)生結構變化[47]從而對其服役安全性產生一定的影響。因此研究非晶合金的熱穩(wěn)定性對理解其微觀結構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30mm且不含有貴金屬和有毒元素受到關注[915]。非晶合金的晶化與其試樣的初始狀態(tài)國家自然科學基金51204118山西省高等學校青年學術帶頭人支持計劃(2013)山西省回國留學人員科研資助項目201

12、3094山西省自然科學基金20110210201和20120210183資助項目。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:不同微觀結構Zr55Al10Ni5Cu30塊體非晶合金的晶化過程有的無序點狀襯度沒有發(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試樣均為非晶結構。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曲線都包含一個玻璃化轉變的吸熱臺階、一個過冷液相區(qū)和一個晶化放熱峰表明兩個試樣具有相似的熱學行為。對400K至720K范圍內的曲線進行放大發(fā)現(xiàn)軋制態(tài)試樣的結構弛豫峰(放熱峰)明顯大于鑄態(tài)試樣如圖3b所示。由DSC曲線得到的熱力學數(shù)據(jù)列于表1。由表1可知兩個試樣除了結構弛豫焓DHr和玻璃轉變溫度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構。為了研究不同微觀結構對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鑄態(tài)和變形量為95%的軋制態(tài)Zr55Al10Ni5Cu30試樣在715K進行等溫退火。當試樣溫度降低到室溫后再進行連續(xù)升溫實驗加熱速度為20Kmin結果如圖4所示。隨著等溫退

15、火時間的延長兩個試樣的晶化峰面積都逐漸減小。這說明等溫時間越長非晶合金的微觀結構越趨向于有序化。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數(shù)Vf即Vf=(ΔHmaxΔH)ΔHmax(1)其中DHmax為完全非晶合金轉變?yōu)橥耆B(tài)合金釋放的總的熱焓DH為試樣在715K退火不同時間后的晶化焓。在此可認為兩個試樣在715K退火前均為完全的非晶結構其晶體體積分數(shù)為零。由此可得兩個試樣在715K退火不同時間后的晶體

16、體積分數(shù)結果如表2所示。在715K等溫退火55min后軋制態(tài)試樣的晶體體積分數(shù)達到94.3%而鑄態(tài)試樣的晶體體積分數(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間之間的關系。由圖4c可知當退火時間小于30min時軋制態(tài)試樣的晶化速率稍稍高于鑄態(tài)試樣但區(qū)別不大當退火時間超過30min后軋制態(tài)試樣的晶化速率明顯增加。這些結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參數(shù)[13]Table1ThermodynamicparametersoftheascastZr55Al10Ni5Cu30specimenthatrolleduptoe=95%ataheatingrateof20Kmin[13]SampleAscastAsrolledTg(K)681671Tx(K)76476