原文发表时间：2021.01.19

　　原文发表期刊：JournalofMaterialsScience&Technology

　　（DOI：10.1016/j.jmst.2020.12.013）

　　文章内容：

　　2021年1月16日，JournalofMaterialsScience&Technology期刊在线发表了燕山大学一篇题目为“EffectonmicrostructureandplasticdeformationbehaviorofaZr-basedamorphousalloybycoolingratecontrol”的学术文章。他们是采用自行设计的冷却能力不同的模具（耐火钢、纯石墨和铜模具），制备了直径相同(8mm)的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金样品。此外，通过消除尺寸效应，研究了冷却速率对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金组织和压缩变形行为的影响。对冷却曲线的分析表明，耐热钢、纯石墨和铜模具在玻璃化转变温度(Tg)下合金熔体的瞬时冷却速率分别为45、52和64K·s-1。X射线衍射、差示扫描量热仪和高分辨率透射电子显微镜分析，随着冷却速率的降低，非晶态合金局部区域出现少量二十面体原子团簇和纳米晶，自由体积随二十面体原子团簇和纳米晶数量的增加而减少。压缩试验结果表明，随着冷却速率的降低，非晶合金的弹性应变、屈服强度和压缩强度略有变化，而塑性应变逐渐增大。通过拟合，有效的大小脉管状模式是线性相关结构弛豫和塑性应变时释放的焓，表明在较低的冷却速率，非晶态合金中的微量纳米晶体无法有效地改善其塑性和自由体积的量并且主要影响其可塑性。

　　实验材料与方法：

　　采用电弧熔炼纯Zr、Ti、Cu、Ni(≥99.9%)和Be(≥99%)的混合物，制备成分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5的合金锭。

　　采用X射线衍射仪（D/max2500/PC,CuK辐射）对其非晶结构进行了表征，并采用NetzschSTA449C差示扫描量热仪(DSC)在氩气流动下进行热分析。且以20K·min-1的升温速率将温度从室温提高到1200K就可记录显微结构的TEM(JρEOL-2010)图像。利用Instron5982试验机，在5×10-4s-1的应变速率下，对直径为2mm、长度为4mm的压缩试样进行了压缩性能测试。为了确保结果的准确性，压缩测试至少重复三次。利用扫描电镜(HitachiS-3400)观察压缩试样的断口形貌。采用线性截距法统计测量脉状图案的平均有效尺寸。

　　通过扫描电镜观察显示：剪切带密度随耐热钢模具、纯石墨模具、铜模具的顺序逐渐增大（如图1为试样端口形貌SEM图）。

图1

　　不同的模具材料表现出不同的冷却能力。模具的冷却能力可以用蓄热系数(b)来表征，表达式为b=图片（λ、c、ρ分别代表导热系数、比热容、密度）。计算结果表明：b值按耐热钢、纯石墨、铜模具的顺序逐渐增大，其与冷却曲线结果是一致（图2）。

图2

　　为了确定塑性强化机制，将脉状图的有效尺寸与塑性应变和自由体积值进行拟合。统计测量了不同铸型试样的脉状模式对压缩断裂的有效尺寸。耐热钢、纯石墨和铜铸样的脉型有效尺寸分别为11.5、9.1和7.8μm，表明脉型有效尺寸随冷却速率的增加而减小。图3显示了扩大DSC曲线前玻璃转换：弛豫的焓变计算是-0.6，-2.8，和-5.3J·g-1样品由耐热钢铸造、纯石墨和铜模具，分别表明自由体积增加的数量与冷却速率的增加。

图3

　　结论：

　　不同结晶器下非晶合金熔体的冷却速率曲线均符合ExpDec2函数模型。非晶合金在玻璃化转变时的冷却速率耐热钢、纯石墨和铜模具的温度(Tg)分别为45、52和64K·s-1。

　　随着冷却速率的增加，非晶合金的屈服强度、抗压强度和弹性应变变化不大，而塑性应变则逐渐增大。

　　用耐热钢、纯石墨和铜铸模铸造试样的脉型有效尺寸分别为11.5、9.1和7.8μm，表明脉型有效尺寸随冷却速度的增加而减小。

　　计算出耐热钢、纯石墨和铜铸模的松弛焓分别为-0.6、-2.8和-5.3J·g-1，表明随冷却速度的增加，自由体积量增加。

　　随着冷却速率的降低，非晶合金的原子排列顺序增加，并观察到少量的结晶相。然而，由于结晶相数量极少，塑性不能得到有效的提高。

　　对该文解读分析：

　　一般认为非晶合金的软化过程和剪切带的形成有关，即材料在变形过程中常常伴随剪切带的产生，在外加载荷的作用下，剪切带萌生后快速增殖和扩展，极大地降低非晶强度。在此过程中，放出大量热能使得非晶软化，同时某一方向只有一条或少数几条主剪切带被激活，从而使得非晶发生局域化变形，沿主剪切带方向发生断裂，导致较差的塑性。

　　在降温过程中,在任意温度理论上都存在一个弛豫过程，弛豫过程伴随着自由体积的湮灭，同时使得模型从某一平衡态过渡到新平衡态。温度每降低几度，弛豫时间一般增加一个数量级。在某一温度时，若模型弛豫时间大到平衡态的恢复过程跟不上其冷却过程，即模型来不及弛豫就进入下一个非平衡态，从而发生了玻璃转变形成非晶。