CN103866208A - 一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金及其制备方法。本发明提供的耐低温Zr基非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四种元素组成，各元素的质量百分比分别为：Cu：20.52~20.60%，Ni：8.38~8.54%，Al：5.35~5.49%，其余为Zr，其总质量满足100%；制备方法为：将配制精确的Zr、Cu、Ni和Al纯金属原料放置于炉内，置于压力为5.0~6.0×10-3Pa的惰性气氛中进行电弧熔化，然后母合金熔体采用铜模滴铸法成型，即得到低温性能优异的圆柱状和板状块体非晶合金材料。本发明制备的Zr基非晶合金材料，方法简单，制备出的非晶合金低温断裂韧性优异，适于低温极端条件下的工程材料领域应用。

Description

一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及块体非晶合金材料，具体涉及一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金及其制备方法。
背景技术
材料的力学性能会随着环境温度而发生改变，在不同环境温度下运行的仪器设备必须要考虑材料的适应性。寒带野外作业与太空等低温环境中，是机械装备和工程结构材料常面临的极端环境条件，目前低温用金属材料，通常选择面心立方结构的金属；但面心立方金属的强度较低，尤其是从常温到低温发生温度变化的环境中，要保证材料在常温和低温下的性能同时具有优异的力学性能，面心立方金属难以满足实际需求。寻找适应低温环境工作的高性能材料，一直是材料领域的前沿课题。
块体非晶合金材料由于非晶合金独特的微观结构，不存在晶粒晶界、位错、析出相以及成分偏析与夹杂等缺陷，具有优异的力学性能，引起了人们的关注。
尤其是Zr基块体非晶合金，具有优异的室温力学性能：(1)高强度和高硬度，几乎每个非晶合金系的最高强度都达到了同类晶态材料的数倍，其中Zr基非晶合金的强度达2000 MPa，维氏硬度达7 GPa，而且具有相对较低的弹性模量；(2) 高弹性应变和弹性极限。在压缩过程中非晶合金的弹性应变值都约为2%，Zr-Ti-Ni-Cu-Al块体非晶合金的弹性应变甚至高达3%。非晶合金的高弹性应变和高弹性极限，使之具有极高的弹性比功。Zr基非晶合金的弹性比功为19.0 MJ/m2，比性能最好的弹簧钢的弹性比功高出8倍以上；(3) 高断裂韧性。Zr基非晶合金的断裂韧性K IC可达80 MPa                                                。
块体非晶合金的微观结构为冻结的过冷液体, 不存在晶体结构、位错等引起冷脆的因素，因此在低温下仍然保持优异的力学特性, 不会造成突然的脆性断裂，表明块体非晶合金在低温极端条件下的工程材料领域也具有潜在的应用价值。提高材料的低温韧性，可以降低材料在低温下使用时发生脆性断裂的倾向，有利于延长零件或构件的使用寿命、节约成本。因此，开发低温用结构新材料，具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明是为了解决目前低温环境中金属材料易发生塑性和韧性降低，产生低温脆断的问题，而提供一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金及其制备方法。
本发明提出的在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金，所述Zr基非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四种元素组成，各元素的质量百分比为：
Cu：20.52~20.60%
Ni：8.38~8.54%
Al：5.35~5.49%
其余为Zr，其总质量满足100%。
本发明提出的在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金的制备方法，具体步骤为：将配制精确的Zr、Cu、Ni和Al纯金属原料放置于炉内，置于压力为5.0~6.0×10-3Pa的惰性气氛中进行电弧熔化，得到母合金熔体，然后母合金熔体采用铜模滴铸法成型，即得到低温性能优异的圆柱状和板状块体非晶合金材料(Zr65.75~65.37Cu20.52~20.60Ni8.38~8.54Al5.35~5.49)。
本发明中，在室温（298K）下，所述Zr基块体非晶合金的断裂韧性值达74.3 MPa
Figure 485852DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明中，在123K低温下，所述Zr基块体非晶合金的断裂韧性值达82.6 MPa
Figure 132865DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明与已有的低温金属材料材料相比具有如下特点：
（1）成本低廉：本合金所需原料均为廉价、无毒的金属原料，非常适合于工业应用。
（2）  制备过程简单：采用普通铜模铸造法可以制备出尺寸、形状不同的块体非晶合金材料。
（3） 室温力学性能优异：本合金在室温条件下具有的抗压断裂强度达 1954 MPa：断裂韧性值达74.3 MPa。
（4）低温力学性能优异：本合金在123K低温下具有的抗压断裂强度达 2024 MPa：断裂韧性值达82.6 MPa
Figure 339910DEST_PATH_IMAGE002
。
综上所述，用本发明制备出的Zr65.75~65.37Cu20.52~20.60Ni8.38~8.54Al5.35~5.49非晶合金针具有优异的低温和室温力学性能，其性能可满足低温环境下服役的矿山采掘设备、林业采伐设备、武器装备、输油管道、海上设备、太空设备等要求。
附图说明
  图1为2mm圆棒状及厚度为2mm的板状非晶合金样品Zr65.6Cu20.52Ni8.54 Al5.35，非晶合金的X射线衍射图谱；
图2为断裂韧性测试样品尺寸简图；
图3为不同温度下的Zr65.6Cu20.52Ni8.54 Al5.35非晶合金断裂韧性值；
图4为室温（298K）下Zr65.6Cu20.52Ni8.54 Al5.35块体非晶合金断裂韧性缺口根部附近的剪切带分布；
图5为123K低温环境下Zr65.6Cu20.52Ni8.54 Al5.35块体非晶合金断裂韧性缺口根部附近的剪切带分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
实施例1： Zr基块体非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al组成，其中各元素的质量百分比为：Zr 65.6%、Cu 20.52 %、Ni 8.54%、Al 5.35%，该成分为本发明的较佳成份点。母合金的熔炼采用磁控钨极电弧炉进行，将配制精确的原料放置于炉内，抽真空至5.0~6.0×10-3Pa，充入氩气至0.04~0.06MPa作为保护气体，在200~350A电流条件下熔炼60~90s。将熔炼好的母合金置于压力为0.03~0.06MPa的氩气中进行电弧熔化，然后母合金熔体采用铜模滴铸法成型，获得直径为2mm圆棒状及厚度为2mm的板状非晶合金样品。
试样的断裂韧性采用单边切口法进行测定，在Instron 5500型万能材料实验机上进行。试样的几何形状如图4所示，尺寸为22（L）
Figure 811168DEST_PATH_IMAGE003
4（W）
Figure 65301DEST_PATH_IMAGE003
2（B）mm3，跨距S为16 mm，切口深度a为2 mm，四个面经研磨和抛光。试样在三点弯曲状态下受力，加载速率为0.05 mm/min，每个样品测试6次，然后取其平均值最为最后结果。三点弯曲受力下，试样的断裂韧性K IC 的计算公式如下：
式中  K IC——试样的断裂韧性，MPa
Figure 235437DEST_PATH_IMAGE001
；
 P——试样的临界载荷，kN；
将制得的Zr65.6Cu20.52Ni8.54 Al5.35非晶合金单边切口试样，置于室温（298K）环境中进行断裂韧性测试，其断裂韧性K IC 为74.3 MPa
Figure 150084DEST_PATH_IMAGE002
。
实施例2：本实施例与实施例1的不同点为：将制得的Zr65.6Cu20.52Ni8.54Al5.35非晶合金单边切口试样，置于193K低温环境中进行断裂韧性测试。低温实验过程中采用液氮作为冷却介质，每次测试试样放入低温环境中保温60~90s。在低温环境下，该Zr基非晶合金在193K低温环境下的断裂韧性K IC 为76.5 MPa。其它与实施例1相同。
实施例3：本实施例与实施例1的不同点为：将制得的Zr65.6Cu20.52Ni8.54Al5.35非晶合金单边切口试样，置于123K低温环境中进行断裂韧性测试。低温实验过程中采用液氮作为冷却介质，每次测试试样放入低温环境中保温60~90s。在低温环境下，该Zr基非晶合金在123K低温环境下的断裂韧性K IC 为82.6 MPa
Figure 500349DEST_PATH_IMAGE002
。其它与实施例1相同。
由图1可见，不同尺寸的Zr65.6Cu20.52Ni8.54Al5.35非晶合金的X射线衍射谱为典型非晶的漫散射峰，不存在尖锐的晶态相衍射峰，表明合金材料的结构为非晶态。
由图3可见，在123K低温条件下，Zr65.6Cu20.52Ni8.54Al5.35非晶合金依然保持很高的断裂韧性值，未发生脆断。
由图4、5可见，在123K低温下，Zr65.6Cu20.52Ni8.54Al5.35块体非晶合金断裂韧性缺口根部附近的剪切带数量较多，这会增加材料吸收能量的能力，所以其断裂韧性增加。

Claims (4)

1.一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金，其特征在于：所述Zr基块体非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四种元素组成，其质量百分比为：
Cu：20.52~20.60%
Ni：8.38~8.54%
Al：5.35~5.49%
其余为Zr，其总质量满足100%。
2.一种如权利要求1所述的一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金制备方法，其特征在于具体步骤为：将配制精确的Zr、Cu、Ni和Al纯金属原料放置于炉内，置于压力为5.0~6.0×10-3Pa的惰性气氛中进行电弧熔化，得到母合金熔体，然后母合金熔体采用铜模滴铸法成型，即得到圆柱状和板状块体非晶合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金，其特征在于：在室温（298K）下，所述Zr基块体非晶合金的断裂韧性值达74.3 MPa                                               
Figure 2014100764265100001DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1所述的一种在低温环境中具有高断裂韧性的Zr基块体非晶合金，其特征在于：在123K低温下，所述Zr基块体非晶合金的断裂韧性值达82.6 MPa
Figure 664181DEST_PATH_IMAGE002
。
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