CN108543930A - 一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法 - Google Patents

一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，本发明涉及金属材料制备领域。本发明要解决现有大块非晶合金的极端局域化的剪切带快速扩展，导致材料失效断裂的技术问题。方法：一、装配；二、熔炼。本发明制备非晶合金复合材料的工艺方法简单，材料广泛易得，可以很好地克服非晶合金规模化工业化应用所面临的脆性难题，具有较大的产业化应用前景。本发明用于制备具有优良室温压缩塑性的非晶合金。

Description

一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域。
背景技术
大块非晶合金因室温下具有高强度、高硬度、耐腐蚀性、耐磨性等诸多优异性能，在工程机械、航空航天、军事、生物医疗以及能源环境等领域具有广阔的应用前景。然而，大块非晶合金的塑性变形主要来源于极端局域化的剪切带，这种剪切带一旦产生，即会迅速扩展，从而导致材料最终的失效断裂，使得该类材料体现有限的塑性变形能力。因此，提高室温塑性是大块非晶合金领域的一个非常有意义的研究方向。
提高非晶合金室温塑性的方法目前主要包括成分调控、外加或内生第二相、纳米晶化等。这些方法主要原理都是通过改变内部微观结构促进多重剪切带的形成，从而提高材料的室温塑性。由于非晶合金的失效往往是因为材料表面形成局部剪切带并迅速扩展至整个样品所致，因此改变表面状态及服役条件，也是提高其塑性的重要途径之一。在大块非晶合金表面进行几何约束，可以极大限度地抑制剪切带的快速扩展，改善压缩时材料的应力分布状态，减小非晶合金基体内部的应力集中，并吸收非晶合金变形产生的能量，对提高非晶合金塑性具有重要意义。
发明内容
本发明要解决现有大块非晶合金的极端局域化的剪切带快速扩展，导致材料失效断裂的技术问题，而提供一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法。
一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将45#钢管放入铜模具中，其中45#钢管的外径与铜模具内部圆孔直径相同；
二、将合金熔体充分熔炼，然后充入步骤一装配45#钢管的铜模具中，冷却，取料，得到外部为钢管，内部为非晶合金的复合材料，完成所述提高非晶合金室温压缩塑性的方法。
本发明采用45#钢管包覆非晶合金基体，对非晶合金表面施加几何约束，抑制变形过程中剪切带的快速扩展，改善变形时材料内部的应力分布状态，吸收非晶合金变形产生的能量，从而显著提高非晶合金的室温压缩塑性，为非晶合金的工程化应用提供简捷有效的技术方法。
本发明的有益效果是：本工艺方案结合非晶合金熔体的物理性能进行设计，充分利用了热量传输、合金熔液流动、材料变形与断裂等理论。
1)设备简单。简单的熔化系统和模具结构。
2)性能可调。可以通过改变包覆钢管的壁厚和钢管的外径，获得具有不同形状的复合材料，从而满足实际工程应用中差异化的性能要求。
3)批量生产。操作过程简单，材料广泛易得，价格低廉，可以满足工业应用的批量生产需求。
本发明为了充分发挥非晶合金的性能优势，拓展其实际工程应用范围，开发了一种简便、有效且廉价的提高非晶合金室温压缩塑性的方法。本发明采用传统的铜模铸造法制备钢管包覆的非晶合金复合材料。预先在铜模内放置相同外径不同壁厚的45#钢管，采用传统的真空电弧熔炼铜模铸造的方法将合金熔体浇铸进铜模具中，即可制得钢管包覆的非晶合金复合材料。本发明通过改变包覆的钢管壁厚等工艺参数，从而优化钢管：非晶合金机体的比例，使得非晶合金的塑性应变从不足1％提高至10％左右，对采用此法获得的复合材料进行结构分析，结果表明基体能得到完全非晶结构。对其进行压缩实验，得到相应的应力-应变曲线，分析表明钢管包覆的非晶合金较未包覆的铸态非晶合金压缩性能明显提高。本发明制备非晶合金复合材料的工艺方法简单，材料广泛易得，可以很好地克服非晶合金规模化工业化应用所面临的脆性难题，具有较大的产业化应用前景。
本发明用于制备具有优良室温压缩塑性的非晶合金。
附图说明
图1为实施例一45#钢管放入铜模具中的装配示意图，其中A代表合金熔体，B代表铜模具，C代表45#钢管；
图2为实施例一中45#钢管的外观照片；
图3为实施例一制备的钢管包覆非晶合金的复合材料的外观照片；
图4为各实施例制备的钢管包覆Zr55Cu30Ni15Al10非晶合金的复合材料线切割后具有不同壁厚钢管的非晶合金复合材料的照片；
图5为纯非晶合金及各实施例制备的钢管包覆Zr55Cu30Ni15Al10非晶合金的复合材料的XRD图；
图6为实施例一制备的钢管包覆非晶合金的复合材料的截面SEM图；
图7为纯非晶合金压缩后的照片；
图8为实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩后的照片；
图9为纯非晶合金压缩后断口的SEM图；
图10为纯非晶合金压缩后剪切带的SEM图；
图11为实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩后的断口SEM图；
图12为实施例二制备的复合材料外部钢管表面剪切带的SEM图；
图13为实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩断口的SEM图；
图14为各实施例制备的钢管包覆非晶合金的复合材料室温压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，具体按以下步骤进行：
一、将45#钢管放入铜模具中，其中45#钢管的外径与铜模具内部圆孔直径相同；
二、将合金熔体充分熔炼，然后充入步骤一装配45#钢管的铜模具中，冷却，取料，得到外部为钢管，内部为非晶合金的复合材料，完成所述提高非晶合金室温压缩塑性的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为4mm～20mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述铜模具为两瓣结构。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述45#钢管的壁厚为0.2～4mm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述45#钢管的壁厚为0.3mm。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一所述45#钢管的壁厚为0.6mm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一所述45#钢管的壁厚为0.8mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中合金熔体熔炼方法为：将合金在真空熔炼炉中反复熔化3～5次，每次熔炼2分钟。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中熔炼温度为2000～2200℃。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤二所述合金成分原子百分比为Zr55Cu30Ni15Al10、Zr60Al10Ni10Cu20、Zr66Al8Cu7Ni19、Zr66Al8Cu12Ni14、Zr65Al7.5Cu17.5Ni10或Ti40Zr25Ni3Cu12Be20。其它与具体实施方式一至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，具体按以下步骤进行：
一、将45#钢管放入铜模具中，其中45#钢管的外径与铜模具内部圆孔直径相同；
二、将合金熔体充分熔炼，然后充入步骤一装配45#钢管的铜模具中，冷却，取料，得到外部为钢管，内部为非晶合金的复合材料，完成所述提高非晶合金室温压缩塑性的方法；其中所述合金成分原子百分比为Zr55Cu30Ni15Al10。
步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm；
步骤一中所述铜模具为两瓣结构；
步骤一所述45#钢管的壁厚为0.2mm；
步骤二中合金熔体熔炼方法为：将合金在真空熔炼炉中反复熔化5次，每次熔炼2分钟；熔炼温度为2000℃。
本实施例45#钢管放入铜模具中的装配示意图，如图1所示，其中A代表合金熔体，B代表铜模具，C代表45#钢管。
本实施例中45#钢管的外观照片，如图2所示。
本实施例制备的钢管包覆非晶合金的复合材料的外观照片，如图3所示。
实施例二：
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm；步骤一所述45#钢管的壁厚为0.3mm。
实施例三：
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm；步骤一所述45#钢管的壁厚为0.6mm。
实施例四：
本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm；步骤一所述45#钢管的壁厚为0.8mm。
上述实施例制备的钢管包覆Zr55Cu30Ni15Al10非晶合金的复合材料线切割后具有不同壁厚钢管的非晶合金复合材料的照片；如图4所示。
纯非晶合金及上述实施例制备的钢管包覆Zr55Cu30Ni15Al10非晶合金的复合材料的XRD图，如图5所示，结果表明，钢管包覆的基体材料仍然为完全的非晶结构，
采用岛津电子万能试验机(AGX-plus 20kN/5kN)分别对未包覆的非晶合金和上述实施例制备的钢管包覆非晶合金的复合材料进行室温压缩实验，控制压缩应变速率为5×10-4s-1。
实施例一制备的钢管包覆非晶合金的复合材料的截面SEM图，如图6所示；
纯非晶合金压缩后的照片，如图7所示；
实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩后的照片，如图8所示。
纯非晶合金压缩后断口的SEM图，如图9所示；
纯非晶合金压缩后剪切带的SEM图，如图10所示；
实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩后的断口SEM图，如图11所示；
实施例二制备的复合材料外部钢管表面剪切带的SEM图，如图12所示；
实施例二制备的钢管包覆非晶合金的复合材料压缩断口的SEM图，如图13所示；
上述实施例制备的钢管包覆非晶合金的复合材料室温压缩应力-应变曲线图，如图14所示。结果表明，包覆非晶合金的钢管达到一定厚度时，其室温压缩塑性显著提高，这是由于较厚的钢管约束非晶合金表面可以充分吸收非晶合金变形产生的变形能，阻碍剪切带的迅速扩展，从而使得室温压缩塑性显著提高，以适应工程应用。
由实施例测试结果可知，本发明通过改变包覆的钢管壁厚等工艺参数，从而优化钢管：非晶合金机体的比例，使得非晶合金的塑性应变从不足1％提高至10％左右，显著提升了非晶合金的室温压缩性能，很好地克服非晶合金规模化工业化应用所面临的脆性难题，拓展了非晶合金产业化应用前景。

Claims (10)

1.一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将45#钢管放入铜模具中，其中45#钢管的外径与铜模具内部圆孔直径相同；
二、将合金熔体充分熔炼，然后充入步骤一装配45#钢管的铜模具中，冷却，取料，得到外部为钢管，内部为非晶合金的复合材料，完成所述提高非晶合金室温压缩塑性的方法。
2.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为4～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一中所述铜模具内部圆孔为有底结构，圆孔直径为5mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一中所述铜模具为两瓣结构。
5.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一所述45#钢管的壁厚为0.2～4mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一所述45#钢管的壁厚为0.3mm。
7.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤一所述45#钢管的壁厚为0.6mm。
8.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤二中合金熔体熔炼方法为：将合金在真空熔炼炉中反复熔化3～5次，每次熔炼2分钟。
9.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤二中熔炼温度为2000～2200℃。
10.根据权利要求1所述的一种提高非晶合金室温压缩塑性的方法，其特征在于步骤二所述合金成分原子百分比为Zr55Cu30Ni15Al10、Zr60Al10Ni10Cu20、Zr66Al8Cu7Ni19、Zr66Al8Cu12Ni14、Zr65Al7.5Cu17.5Ni10或Ti40Zr25Ni3Cu12Be20。
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