Ag和Fe元素添加對(duì)Cu-Zr-Al系非晶形成能力和力學(xué)性能的影響

趙燕春, 寇生中,, 劉廣橋, 丁雨田, 李春燕, 袁子洲, 索紅莉

(1. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；

2. 北京工業(yè)大學(xué) 新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100022)

Ag和Fe元素添加對(duì)Cu-Zr-Al系非晶形成能力和力學(xué)性能的影響

趙燕春1, 寇生中1,2, 劉廣橋1, 丁雨田1, 李春燕1, 袁子洲1, 索紅莉2

(1. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；

2. 北京工業(yè)大學(xué) 新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100022)

以Cu-Zr-Al三元系為基礎(chǔ)，研究Ag和Fe合金組元添加對(duì)塊體金屬玻璃(BMG)及BMG基復(fù)合材料的非晶形成能力和力學(xué)性能的影響。在Cu-Zr-Al三元合金體系中，Cu50Zr42Al8系BMG的ΔTx=61 K，Trg= 0.624，γ =0.416。適量添加 Ag元素能顯著地提高非晶形成能力；在 Cu-Zr-Al-Ag四元合金體系中，Cu43Zr45Al8Ag4、Cu45Zr42Al8Ag5、Cu40Zr44Al10Ag6、Cu43Zr41Al8Ag8和 Cu36Zr48Al8Ag8的 Trg分別為 0.618、0.625、0.618、0.628 和0.598，γ值分別為 0.424、0.427、0.424、0.432和0.433，ΔTx分別為 77、76、78、84和108 K。在(Cu0.36Zr0.48-Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=0, 3, 5, 10, 15, 20)五元體系中，F(xiàn)e的添加明顯影響合金的非晶形成能力；盡管ΔTx和Trg呈下降趨勢，但(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)97Fe3塊體非晶合金仍具有較高的非晶形成能力，其ΔTx=103 K，Trg=0.566，γ=0.424；Fe的適量加入可顯著提高合金的力學(xué)性能，其中(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)95Fe5合金的強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別提高至 2 249 MPa和 4.9%。Fe元素的存在導(dǎo)致 Cu36Zr48Al8Ag8合金中產(chǎn)生明顯的相分離，使(Cu0.36Zr0.48Al0.08-Ag0.08)100-xFex合金得到增強(qiáng)增韌。

塊體金屬玻璃；非晶形成能力；合金化；力學(xué)性能

21世紀(jì)初，Cu基BMG被相繼開發(fā)出來，其中以CuZr為主要成分的Cu基塊體金屬玻璃表現(xiàn)出較強(qiáng)的玻璃形成能力和優(yōu)異的力學(xué)性能，如 Cu64Zr36合金的約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度為0.64，過冷液相區(qū)寬度達(dá)到46 K，壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)到2 000 MPa[1-2]；Cu50Zr50二元BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度為 1 350 MPa，壓縮塑性變形為1.5%[3]。微合金化是改善BMG性能的有效方法之一，摻雜不同原子尺寸的元素能夠提高體系的混亂度，從而有效地提高合金的非晶形成能力和力學(xué)性能[4]。在Cu-Zr二元合金中，通過添加Al形成的Cu-Zr-Al三元體系具有高熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度以及一定的韌性，且制備成本較低，如直徑為2 mm的Cu47.5Zr47.5Al5和直徑為2.5 mm的Cu47Zr47Al6的塑性應(yīng)變分別為16%和5.5%，同時(shí)，兩者屈服強(qiáng)度分別高達(dá)1 547 和1 116 MPa[5]。INOUE小組通過在Cu-Zr-Al三元合金中添加Ag先后制備出直徑為15 mm的Cu40Zr44Al8Ag8[6]和直徑為25 mm的Cu36Zr48Al8Ag8[7]銅基BMG，并通過添加Pd制備出直徑為30 mm的Cu34Zr48Al8Ag8Pd2金屬玻璃[8]。FU 等[9]和 SHEN 等[10]等分別制備出厘米級(jí) Cu46Zr45Al7Gd2和Cu42Zr43Hf1.5Y3.5Al10銅基BMG。

本文作者在Cu-Zr-Al三元合金基礎(chǔ)上，通過添加合金元素 Ag和 Fe形成 Cu-Zr-Al-Ag四元以及Cu-Zr-Al-Ag-Fe五元塊體非晶合金，研究Ag和Fe合金組元添加對(duì)BMG及BMG基復(fù)合材料的非晶形成能力和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究選用純度大于99.99%的Cu金屬塊、99.9%的Zr、Al、Ag和Fe金屬塊，在高純氬氣保護(hù)條件下，用磁懸浮熔煉母合金，反復(fù)熔煉 3 次，以保證成分均勻；采用銅模吸鑄工藝，制備出錐形試樣和直徑為 3 mm的棒狀試樣。采用 D/max-2400 型大功率轉(zhuǎn)靶衍射儀(Cu Kα輻射，40 kV，30 mA) 和JEM-2010型透射電鏡(TEM)進(jìn)行試樣的結(jié)構(gòu)表征和選區(qū)衍射分析；采用Netzsch STA-409C同步熱分析儀測定非晶合金的差示掃描量熱曲線(DSC)，升溫速率為20 K/min，保護(hù)氣氛為氦氣；在國產(chǎn)WDW-100D試驗(yàn)機(jī)測試室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)行為，應(yīng)變速率為 1×10-4s-1；用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測量試樣的顯微硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu50Zr42Al8BMG的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能

圖1所示為Cu50Zr42Al8合金錐形試樣位于不同直徑處橫截面的XRD譜，在30°～45°之間存在漫散射峰，證明了非晶相的存在。在直徑為4.0和4.8 mm處，試樣均只存在一漫散射峰，為完全非晶結(jié)構(gòu)。試樣在直徑為4.9 mm處，在寬的漫散射峰上開始出現(xiàn)晶相的弱衍射峰。在直徑為5 mm處，晶相衍射峰更為明顯，由其位置和強(qiáng)度標(biāo)定主要為Cu10Zr7和CuZr相。XRD結(jié)果表明，目前在Cu-Zr-Al體系的研究中，該成分合金的臨界直徑達(dá)到了4.8 mm。

圖1 Cu50Zr42Al8錐形試樣的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Cu50Zr42Al8 as-cast taper sample

圖2 Cu50Zr42Al8 BMG的DSC曲線Fig.2 DSC curve of as-cast Cu50Zr42Al8 BMG

取直徑為4 mm處的Cu50Zr42Al8錐形試樣切片用于DSC分析，測定試樣的熱穩(wěn)定性參數(shù)。圖2所示為Cu50Zr42Al8鑄態(tài)BMG的DSC曲線。由圖2可見，玻璃轉(zhuǎn)變溫度 Tg、晶化溫度 Tx和液相線溫度 Tl分別為729、790和1 169 K；其過冷液相區(qū)寬度 (ΔTx＝Tx-Tg)為 61 K，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Trg＝Tg/Tl)為 0.624，γ=Tx/(Tg+Tl) =0.416。這些數(shù)據(jù)表明，Cu50Zr42Al8合金具有良好的熱穩(wěn)定性，說明Cu-Zr體系中Al的加入提高了過冷熔體的穩(wěn)定性，從而有效提高了非晶形成能力。Zr/Al的原子尺寸比為 1.12，Al/Cu的為 1.12，而Al-Zr的原子對(duì)混合焓為-44 kJ/mol，大于 Cu-Zr的 -23 kJ/mol。從原子尺寸和混合焓兩方面看，Al元素的加入符合INOUE提出的形成非晶的條件[6]，因而使合金的非晶形成能力提高。直徑為4 mm 處的Cu50Zr42Al8BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)到2.260 GPa，彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變分別為 2.0%和 0.4%，如圖3所示。試樣斷裂前幾乎沒有發(fā)生塑性形變，且呈現(xiàn)典型的非晶斷口形貌[11-12]，如圖4所示。

圖3 直徑為4 mm時(shí)Cu50Zr42Al8 BMG的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 Compressive stress—strain curve of Cu50Zr42Al8 BMG with diameter of 4 mm

圖4 室溫下Cu50Zr42Al8 BMG的壓縮斷口形貌Fig.4 Morphology of compressive fracture surface of Cu50Zr42Al8 BMG at room temperature

2.2 Ag的添加對(duì)Cu-Zr-Al系非晶形成能力的影響

圖5所示為利用銅模吸鑄法制備出的成分為Cu43Zr45Al8Ag4、Cu45Zr42Al8Ag5、Cu40Zr44Al10Ag6、Cu43Zr41Al8Ag8和Cu36Zr48Al8Ag8、直徑為3 mm的棒狀試樣的XRD譜。由圖5可見，試樣均為單一非晶結(jié)構(gòu)，在 30°和 45°之間僅有一漫散射峰，無明顯與結(jié)晶相對(duì)應(yīng)的衍射峰。圖6和表1所示分別為各試樣的DSC曲線和熱穩(wěn)定性參數(shù)。在Cu-Zr-Al-Ag四元合金體系中，適量添加Ag元素能顯著地提高非晶形成能力，其中 Cu43Zr45Al8Ag4、Cu45Zr42Al8Ag5、Cu40Zr44Al10Ag6、Cu43Zr41Al8Ag8和 Cu36Zr48Al8Ag8的 Trg分別為0.618、0.625、0.618、0.628 和 0.598，γ值分別為 0.424、0.427、0.424、0.432 和 0.433，ΔTx分別為 77、76、78、84和108 K。Cu-Zr-Al-Ag體系中，主要元素原子的尺寸差大于12%，Cu、Zr和Al(Ag)原子半徑分別為 0.128、0.162和0.143(0.144) nm。有利于提高體系的密堆性，結(jié)構(gòu)密堆性高最終能夠提高合金的熱穩(wěn)定性。

圖5 Cu-Zr-Al-Ag系BMG的XRD譜Fig.5 XRD patterns of Cu-Zr-Al-Ag system BMG

圖6 Cu-Zr-Al-Ag系BMG的DSC曲線Fig.6 DSC curves of Cu-Zr-Al-Ag system BMG

表1 Cu-Zr-Al-Ag系BMG的熱穩(wěn)定性參數(shù)Table 1 Thermal stability parameters of Cu-Zr-Al-Ag BMG

2.3 Fe的添加對(duì)Cu36Zr48Al8Ag8BMG的非晶形成能力和力學(xué)性能的影響

2.3.1 Fe的添加(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex的非晶形成能力的影響

臨床護(hù)理路徑(CNP)是指醫(yī)院里一組成員共同針對(duì)某一病種的監(jiān)測、治療、康復(fù)和護(hù)理所制定的一個(gè)有嚴(yán)格工作順序、準(zhǔn)確時(shí)間要求的照護(hù)計(jì)劃，以減少康復(fù)的延遲及資源的浪費(fèi)，使服務(wù)對(duì)象獲得最佳的醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量［1］。它強(qiáng)調(diào)以服務(wù)對(duì)象為中心，以人為本的理念，使患者積極參與配合到整個(gè)醫(yī)療計(jì)劃中來，調(diào)動(dòng)患者的主動(dòng)性。我院外科采用臨床護(hù)理路經(jīng)方法在腹股溝疝手術(shù)過程中的運(yùn)用，取得了較好的效果?，F(xiàn)報(bào)道如下。

用懸浮熔煉-銅模吸鑄法于相同的過熱度和過熱時(shí)間下制備出直徑為 3 mm 的(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex((x=3, 5, 10, 15, 20)棒狀試樣，圖7所示為5種試樣的 XRD譜。由圖7可見，試樣在30°和45°之間存在一漫散射峰，證明了其非晶結(jié)構(gòu)的存在。其中，xFe=3和xFe=5的兩個(gè)試樣僅有一漫散射峰；隨著 Fe含量的增加，與結(jié)晶相對(duì)應(yīng)的衍射峰逐漸銳化，(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)90Fe10試樣中析出的晶體相被檢測為Cu10Zr7，試樣為晶體和非晶相的復(fù)合結(jié)構(gòu)。(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)85Fe15試樣在 2θ=38°附近出現(xiàn)了強(qiáng)的晶態(tài)衍射峰，表明(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)85Fe15的非晶相含量較少，同時(shí)，譜線中還出現(xiàn)了與新的結(jié)晶相FeZr3對(duì)應(yīng)的衍射峰。(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)80Fe20試樣的駝峰基本消失，在2θ=38°和2θ=70°附近出現(xiàn)了強(qiáng)的晶態(tài)衍射峰，且2θ=38°處的衍射峰非常明銳，試樣為非晶和晶體的復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，隨著Fe含量的增加，在(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=3, 5, 10, 15, 20)試樣中，晶體相的體積分?jǐn)?shù)不斷增加。

圖7 (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex的XRD譜Fig.7 XRD patterns of (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex

圖8所示為(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=3, 5,10)合金在直徑為3 mm處的 DSC曲線(加熱速率為20 K/min)。從圖 8可以看出，隨著 Fe含量的增加，合金的 Tg變化較小，略有增加，而 Tl呈明顯升高趨勢，Tx明顯下降，ΔTx和 Trg有所減小。表 2所列為合金的熱穩(wěn)定性參數(shù)。由表2中可以看出，xFe為3、5和10時(shí)，F(xiàn)e元素的添加沒有提高Cu36Zr48Al8Ag8合金的非晶形成能力(GFA)，反而使其呈降低趨勢。實(shí)驗(yàn)中添加Fe元素雖然提高了原子尺寸的差別，但是Fe元素與主要元素 Cu有較大的正混合焓，從而降低了試樣的非晶形成能力。盡管如此，其熱穩(wěn)定性和GFA與其他合金體系的熱穩(wěn)定性和GFA相比仍然較高，尤其是(Cu0.36Zr0.48Ag0.08Al0.08)97Fe3BMG，其ΔTx為 103 K，Trg和 γ分別為 0.566 和 0.424。

圖8 (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex BMG的DSC曲線Fig.8 DSC curves of (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex BMG

表2 (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=3，5，10)合金的熱穩(wěn)定性參數(shù)Table 2 Thermal stability of (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=3, 5, 10)

通過TEM研究了xFe=3非晶中的相分離現(xiàn)象，圖9所示為(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)97Fe3的TEM明場相以及對(duì)應(yīng)的SAED譜。由圖9(a)可以看出，組織中明顯存在襯度深淺不同的兩相，其相應(yīng)的 SAED譜顯示出典型的非晶暈環(huán)，為全非晶結(jié)構(gòu)；從圖9(b)可以看出，兩相結(jié)構(gòu)并沒有明顯差別，也不存在明確的界面，為明暗分明的兩種非晶相結(jié)構(gòu)。采用EDS在不同的區(qū)域中進(jìn)行多處測試，結(jié)果表明，暗相中Cu和Ag的含量較高，F(xiàn)e的含量低，明相則相反。

圖10所示為(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08))95Fe5的TEM明場相及SAED譜和HRTEM像。由圖10(a)可以看出，(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08))95Fe5的進(jìn)行中襯度不同的兩非晶相，其相分離的程度增加；相應(yīng)的SAED譜依然顯示出典型的非晶衍射環(huán)，即一較強(qiáng)的內(nèi)環(huán)加一微弱的外環(huán)，而且除了彌散的非晶衍射環(huán)外，還出現(xiàn)了連續(xù)的納米晶衍射環(huán)，由圖10(b)可以看出，納米晶的尺寸小于5 nm。

圖9 xFe=3試樣的TEM明場相及SAED譜和HRTEM像Fig.9 Bright field phase of TEM and SAED pattern (a) and HRTEM image (b) of sample with xFe=3

圖10 xFe=5試樣的TEM明場相及SAED譜和HRTEM像Fig.10 Bright field phase of TEM and SAED pattern (a) and HRTEM image (b) of sample with xFe=5

由二元相圖可知，液態(tài)Fe與Cu的溶混間隙小，而且Fe-Ag在大部分成分范圍及液相存在不互溶區(qū)，而且液相分離反應(yīng)溫度區(qū)間很大。如前所述，F(xiàn)e與Ag的原子對(duì)混合熱為28，室溫下Fe與Ag不僅晶體結(jié)構(gòu)不同，而且兩者的原子半徑相差 16.4%，大于形成固溶體原子尺寸相差15%的要求，因此Fe和Ag幾乎完全不互溶。Fe與Cu，Ag與Cu的原子對(duì)混合熱分別為13和2，雖然都為正值，但Cu和Ag為同族元素，與Fe原子相比，Ag原子在電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性等方面與Cu更接近，按固溶理論，Ag會(huì)“選擇性溶解”于Cu中，形成了富Cu、Ag相和富Fe相的分離，且相分離程度主要受Fe/Cu和Fe/Ag的摩爾比的控制。另外，由ΔHFe—Al=-11 kJ/mol，ΔHCu—Al=-0.8 kJ/mol，ΔHAg—Al=-4 kJ/mol，判定富 Fe相結(jié)構(gòu)的原子結(jié)合力較大，結(jié)構(gòu)密堆性高為硬相，而富Cu和Ag相為軟相。

Cu-Zr-Al-Ag-Fe體系中Fe的熔點(diǎn)較高，易和其他組元發(fā)生相分離和偏晶反應(yīng)。而Fe-Zr和Cu-Zr的原子間作用力較大，隨著Fe含量的增加，富Cu團(tuán)簇中Cu濃度相對(duì)增加，結(jié)晶趨勢增加，Cu10Zr7相析出；繼續(xù)添加Fe時(shí)，新相FeZr3析出。

2.3.2 Fe的添加對(duì)Cu36Zr48Al8Ag8BMG室溫壓縮性能的影響

圖11所示為直徑為 3 mm的(Cu0.36Zr0.48Al0.08-Ag0.08)100-xFex(x=0, 3, 5, 10, 15, 20)合金試樣的室溫壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線。試樣壓縮斷裂強(qiáng)度和塑性隨著Fe含量的增加呈先增加后減小的變化趨勢。

圖11 (Cu0.36Zr0.48Al0.08 Ag0.08)100-xFex合金的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.11 Compressive stress—strain curves of (Cu0.36Zr0.48-Al0.08Ag0.08)100-xFex alloy

表3 (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex合金的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of (Cu0.36Zr0.48Al0.08 Ag0.08)100-x-Fex (x=0, 3, 5, 10, 15, 20)

當(dāng)xFe=5時(shí)，合金的強(qiáng)度和塑性分別提高到 2 249 MPa和4.9%。由 XRD和 TEM分析結(jié)果可知，試樣組織的相分離程度較 xFe=3時(shí)有所增加，并且有納米晶析出。納米晶與成分偏聚區(qū)彌散在非晶基體中，對(duì)玻璃合金起到了彌散強(qiáng)化的作用，有效地阻礙了非晶基體的剪切變形，使其塑性得到提高；同時(shí)，玻璃合金黏度的升高，引起非均勻流變阻力的增加，使樣品強(qiáng)度得到提高。納米晶和成分偏聚區(qū)的強(qiáng)化和韌化作用與其性質(zhì)、尺寸大小和體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。當(dāng)?shù)诙喑叽缭诩羟袔Ш穸确秶鷥?nèi)時(shí)，如前所述，由非晶中兩相分離而形成的韌性第二相能夠有效阻止剪切帶的擴(kuò)展并成為新剪切帶的開動(dòng)源，使BMG的剪切變形向多剪切帶發(fā)展，塑性提高[14-15]；而由 HRTEM分析可知，析出納米晶的尺寸小于5 nm，而剪切帶的寬度通常在10～50 nm，外力加載時(shí)增加剪切帶內(nèi)原子運(yùn)動(dòng)的阻力，使剪切帶變窄，材料的強(qiáng)度增加。第二相起到強(qiáng)韌化作用，分別對(duì)玻璃基體增強(qiáng)增韌。

隨著Fe含量的增加，當(dāng)xFe=10時(shí)，非晶基體上有脆性Cu10Zr7晶相析出，BMG的強(qiáng)度和塑性降低。試樣的晶化程度隨著 Fe含量的增加而不斷升高，當(dāng)xFe=15和xFe=20時(shí)，試樣中有新的脆性晶相FeZr3析出，其強(qiáng)度和塑性顯著下降；當(dāng)xFe=20時(shí)，試樣的塑性僅為0.2%。脆性相自身先于基體破損使BMG在低強(qiáng)度下發(fā)生脆性斷裂。非晶基體中析出的脆性金屬間化合物相是材料受到外力時(shí)的薄弱點(diǎn)，裂紋首先在結(jié)晶相集中區(qū)域產(chǎn)生，由于應(yīng)力容易在破損晶粒上集中，因而裂紋迅速擴(kuò)展，使材料脆化敏感性增加，如圖12所示。復(fù)合材料中的微米級(jí)脆性晶相不僅損害了基體的強(qiáng)度而且使塑性顯著降低，導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

圖12 (Cu0.36Zr0.48Al0.08 Ag0.08)85Fe15塊體金屬玻璃的裂紋擴(kuò)展金相圖Fig.12 Metallographical image of crack propagation in(Cu0.36Zr0.48Al0.08 Ag0.08)85Fe15 bulk metallic glass

3 結(jié)論

1) 在 Cu-Zr-Al三元合金體系中，Cu50Zr42Al8BMG具有較高的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力，其ΔTx=61 K，Trg= 0.624，γ = 0.416；直徑為4 mm的全非晶結(jié)構(gòu)的Cu50Zr42Al8BMG的 σcf達(dá)到2 260 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.4%。適量添加Ag元素能顯著地提高非晶形成能力，其中 Cu43Zr45Al8Ag4、Cu45Zr42Al8Ag5、Cu40Zr44Al10Ag6、Cu43Zr41Al8Ag8和 Cu36Zr48Al8Ag8的Trg分別為 0.618、0.625、0.618、0.628和 0.598，γ值分別為 0.424、0.427、0.424、0.432和 0.433，ΔTx分別為77、76、78、84和108 K。

2) 添加Fe元素可使Cu36Zr48Al8Ag8BMG的玻璃形成能力降低，但(Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)97Fe3BMG的ΔTx為103 K，Trg和γ分別為0.566和 0.424，仍然具有較高的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。Fe含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為3%和5%時(shí)，BMG的綜合力學(xué)性能得到提高。

3) 富Cu、Ag相和富Fe相兩相非晶結(jié)構(gòu)的存在，在外力加載時(shí)能夠阻礙單一剪切帶的增殖并促使多重剪切帶的形成，使BMG表現(xiàn)出“應(yīng)變硬化”行為。而尺寸小于 5 nm的納米晶的析出，可有效地阻礙BMG基體的剪切變形，起到彌散強(qiáng)化作用。但隨著Fe含量增加，合金的晶化加劇，析出的脆性金屬間化合物相可使合金的強(qiáng)度、硬度和塑性均顯著下降，脆化敏感性增大。

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Effects of Ag and Fe elements on glass-forming ability and mechanical properties of Cu-Zr-Al bulk amorphous system

ZHAO Yan-chun1, KOU Sheng-zhong1,2, LIU Guang-qiao1,DING Yu-tian1, LI Chun-yan1, YUAN Zi-zhou1, SUO Hong-li2
(1. State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;2. Key Laboratory of Advanced Functional Materials,Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)

Based on Cu-Zr-Al tenary alloy, the effects of addition of Ag and Fe elements on glass-forming ability and mechanical properties of Cu-Zr-Al-Ag and Cu-Zr-Al-Ag-Fe bulk amorphous systems were investigated. Cu50Zr42Al8BMG exhibits high glass-forming ability and thermal stability in ternary alloy system, ΔTx, Trgand γ of which are 61 K,0.624 and 0.416, respectively. The glass-forming ability of Cu-Zr-Al ternary alloy system is obviously improved with addition of Ag. In the quaternary system, Trgof Cu43Zr45Al8Ag4, Cu45Zr42Al8Ag5, Cu40Zr44Al10Ag6, Cu43Zr41Al8Ag8and Cu36Zr48Al8Ag8are 0.618, 0.625, 0.618, 0.628 and 0.598, γ of which are 0.424, 0.427, 0.424, 0.432 and 0.433，ΔTxof which are 77, 76, 78, 84 and 108 K, respectively. In the (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFex(x=0，3，5，10，15，20) quinary system, the addition of Fe exists an obvious effect on the glass forming ability of the alloys. Although the ΔTxand Trgare reduced, the (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)97Fe3bulk amorphous alloy exhibits high glass-forming ability, and ΔTx, Trgand γ ofthis alloy are 103 K, 0.566 and 0.424, respectively. The compressive fracture strength and plastic strain of (Cu0.36Zr0.48-Al0.08Ag0.08)95Fe5alloy increase to 2 249 MPa and 4.9%, respectively, which shows that the addition of suitable Fe improves the mechanical properties obviously. The existence of Fe element results in the distinct phase separation in Cu36Zr48Al8Ag8alloys, which strengthens and toughens the (Cu0.36Zr0.48Al0.08Ag0.08)100-xFexalloy.

bulk metallic glass; glass-forming ability; alloying; mechanical property

TG139.8

A

1004-0609(2011)05-1066-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50961008)

2010-08-25；

2010-11-22

寇生中，教授，博士；電話：0931-2976682; E-mail: kousz@lut.cn

(編輯 何學(xué)鋒)