Zr42Co58合金的微觀組織和力學(xué)性能

王永善， 李培友， 童 婷， 劉蒙蒙

(陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

過去幾十年，具有簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的合金已得到廣泛應(yīng)用，比如NiAl和FeAl合金[1-2]。大量研究表明，具有簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的NiTi、FeTi、CoTi、CoZr、CoHf合金可作為功能材料或結(jié)構(gòu)材料[3-6]。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)CoTi[4]、CoZr[5-6]、CoHf[6]合金兼具功能材料和結(jié)構(gòu)材料的特征。近年來，材料研究者對(duì)Zr-Co基合金產(chǎn)生了濃厚興趣，其原因是該合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能[7-11]、物理性能[12-14]、化學(xué)和生物特性[15]。Yawaguchi T等人[16]在對(duì)Zr-Co合金體系的研究中發(fā)現(xiàn)，具有簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的Zr50Co50合金的拉伸塑性應(yīng)變達(dá)到7%。此外，在室溫壓縮實(shí)驗(yàn)中，鑄態(tài)Zr50Co50合金圓棒能夠壓成餅狀且無斷裂現(xiàn)象發(fā)生[17]。由于該合金具有優(yōu)異的拉伸塑性應(yīng)變，但在室溫條件下拉伸或壓縮強(qiáng)度較低，為了安全起見，不能作為工程材料使用[5]。為滿足工程材料使用要求，必須提高Zr-Co系合金的強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)貭奚g性，只有滿足該條件，Zr-Co系合金才能夠成為工程材料的備選材料。LI Pei-you等人[9]研究發(fā)現(xiàn)在二元系Zr-Co合金中通過調(diào)整Zr與Co原子百分比，可以獲得較高強(qiáng)度較好韌性的二元Zr-Co合金；該系列合金的顯微組織是由塑性相B2相和脆性相B33相組成，由于B33相在母相基體上分離，從而提高了合金強(qiáng)度、韌性及楊氏模量。另外，李培友等人[5]研究還發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Zr48Co52合金在熱處理過程中，部分B33相轉(zhuǎn)變?yōu)榛wB2相，從而導(dǎo)致合金維氏硬度提高。由此可見，熱處理方法可以實(shí)現(xiàn)B33相朝母相B2相轉(zhuǎn)變。在已報(bào)道的二元Zr-Co合金體系中，Zr42Co58合金具有較高的屈服強(qiáng)度和彈性模量[9]，所以本文將重點(diǎn)研究Zr42Co58合金在不同熱處理溫度下的相組成、顯微組織、力學(xué)性能及斷裂機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

Zr42Co58合金鑄錠由純度高于99.9%的純金屬混合，為防止氧化，在氬氣保護(hù)下經(jīng)電弧熔化制備。所有合金鑄錠反復(fù)熔煉4次以上，以求鑄錠各個(gè)部位具有均勻的化學(xué)組分，最后用電弧熔化并充入銅模，制成Ф3×20 mm的棒狀試樣。試樣在真空爐中進(jìn)行熱處理，溫度723 K和773 K，時(shí)間30 min，水冷。用慢速金鋼鋸將樣品切割成檢測(cè)分析所需的尺寸，樣品相結(jié)構(gòu)采用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行測(cè)試。金相試樣采用體積比VHF∶VHNO3∶VH2O=1∶4∶4的混合溶液進(jìn)行腐蝕。壓縮實(shí)驗(yàn)用CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行，樣品為Ф3×6 mm，應(yīng)變率為2.5×10-4/s。斷口形貌采用JSM 6390LV型掃描電鏡(SEM)觀察。維氏硬度值在HVS-10Z/LCD儀器上進(jìn)行測(cè)試，載荷為200 N，保壓時(shí)間為10 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線分析

圖1 Zr42Co58合金在不同熱處理溫度下的XRD圖

圖1所示為Zr42Co58合金在不同熱處理溫度下的XRD圖。由文獻(xiàn)[9]可知，鑄態(tài)Zr42Co58合金是由簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)的B2相和大量的單斜結(jié)構(gòu)B33相組成。為了比較熱處理合金與鑄態(tài)合金的XRD，將文獻(xiàn)[9]中鑄態(tài)Zr42Co58合金的XRD圖也繪于圖1中。樣品在相同的測(cè)試條件下，XRD峰的衍射強(qiáng)度可以間接表示相應(yīng)相的體積分?jǐn)?shù)，即物質(zhì)參與衍射的體積或質(zhì)量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比。當(dāng)把B2相第一衍射峰強(qiáng)度歸一化為100，B33相最強(qiáng)衍射峰相對(duì)于B2相第一衍射峰進(jìn)行歸一化處理，B33相歸一化值列于表1中。鑄態(tài)合金的B33相最強(qiáng)衍射峰歸一化為142%，而合金在熱處理溫度為723 K和773 K下的B33相衍射峰歸一化值分別為136%和91%。所以，B33相衍射強(qiáng)度歸一化值隨著熱處理溫度的增加而減少。結(jié)果表明，在熱處理過程中，合金中B33相相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)隨熱處理溫度增加而減少，揭示了在熱處理過程中部分B33相轉(zhuǎn)化為B2相。

表1 合金力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 顯微組織

圖2所示為Zr42Co58合金在不同熱處理溫度下的顯微組織金相圖，可見，在B2相基體上(黑色)析出了大量的第二相B33相(白色)，這與圖1中XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。在鑄態(tài)合金以及熱處理合金的組織形貌中，B33相的形狀呈等軸狀、條狀和枝狀，如圖2所示。大量的等軸狀顆粒尺寸范圍為5～15 μm，少量的條狀組織的尺寸范圍為20～100 μm，極少量的枝狀組織尺寸范圍為5～20 μm。隨著熱處理溫度的增加，B33相相對(duì)含量卻減少，這與圖1中XRD分析結(jié)果相吻合，說明了合金在熱處理過程中，部分B33相轉(zhuǎn)變?yōu)榛wB2相。

(a) 鑄態(tài) (b) 723 K (c) 773 K 圖2 鑄態(tài)合金和在不同熱處理溫度下合金的顯微組織

2.3 力學(xué)分析

圖3 Zr42Co58合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為在不同溫度熱處理后Zr42Co58合金的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了與鑄態(tài)合金的力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將文獻(xiàn)[9]中鑄態(tài)Zr42Co58合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖也繪于圖3中，由圖所得數(shù)據(jù)列于表1中。結(jié)果表明，合金在熱處理溫度為723 K和773 K條件下的屈服強(qiáng)度分別為941 MPa和1287 MPa，均小于鑄態(tài)合金的屈服強(qiáng)度1500 MPa；合金在熱處理溫度為723 K和773 K條件下的線彈性極限分別為717 MPa和1030 MPa，均小于鑄態(tài)合金的線彈性極限1200 MPa；另外，還發(fā)現(xiàn)熱處理合金的斷裂強(qiáng)度也小于鑄態(tài)合金的斷裂強(qiáng)度(見表1)。可見，合金進(jìn)行熱處理后，其屈服強(qiáng)度、線彈性極限以及斷裂強(qiáng)度相對(duì)于鑄態(tài)合金值均減小。然而，合金熱處理后，相對(duì)于鑄態(tài)合金，其塑性應(yīng)變卻增大，由鑄態(tài)合金的塑性應(yīng)變值1.2%增加到熱處理溫度為723 K條件下的3.34%，以及增加到熱處理溫度為773 K條件下的2.27%。當(dāng)合金中脆性相B33相越少時(shí)，合金的塑性卻增加[9]。在目前所研究的合金中，由于熱處理后合金中脆性相B33相體積分?jǐn)?shù)減少，所以導(dǎo)致合金的塑性增加。由圖3和表1可知，合金在熱處理溫度為723 K條件下的彈性模量減少，其值為38.5 GPa，小于鑄態(tài)合金的彈性模量值52.4 GPa；然而，合金在熱處理溫度為773 K條件下的彈性模量卻增加，其值為54.3 GPa，大于鑄態(tài)合金的彈性模量值。另外，熱處理合金在塑性區(qū)域呈現(xiàn)出加工硬化現(xiàn)象，達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度后，呈現(xiàn)出應(yīng)力降低現(xiàn)象。

合金的維氏硬度列于表1中?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的增加，維氏硬度從鑄態(tài)合金的623 HV減少到熱處理合金(773 K)的597 HV。

2.4 斷口分析

圖4所示為鑄態(tài)Zr42Co58合金壓縮后斷口形貌圖。由圖4(a)可知，斷口呈現(xiàn)大面積的脆性斷裂解理面，延性斷裂區(qū)極小，說明了鑄態(tài)合金塑性應(yīng)變較小。由于在基體B2相中含有大量的B33相，合金在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，大量的B33相導(dǎo)致合金的強(qiáng)度提高而塑性應(yīng)變減小[9]，這與圖3和表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。圖4(b)所示為大面積的解理面和脆性相B33相，B33相如白色箭頭所示。其中，B33相尺寸約為10 μm，與圖2所觀察的等軸晶尺寸相吻合。所以，通過斷口形貌的觀察，鑄態(tài)合金的斷裂機(jī)制為解理斷裂。

圖4 鑄態(tài)Zr42Co58合金斷口形貌

圖5所示為試樣在熱處理溫度723 K和773 K條件下的斷口形貌。由圖5(a)可知，在723 K條件下熱處理試樣并沒有完全壓斷，而是形成較大的裂縫。裂縫的形成能夠吸收大量的塑性功，導(dǎo)致合金加工硬化消失，這與圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合。圖5(b)為圖5(a)中裂縫處的放大圖，從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn)延性斷裂和穿晶斷裂相結(jié)合的斷裂機(jī)制，延性斷裂是塑性相B2相在壓縮過程中形成的斷裂形貌，而穿晶斷裂是脆性相B33相(黑色箭頭所示)在壓應(yīng)力作用下所形成的斷裂形貌。由于延性斷裂能夠吸收大量的塑性功，故熱處理合金能承受較大的塑性應(yīng)變，這與圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線和表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。圖5(c)所示為在773 K條件下熱處理合金的斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)，斷口面呈現(xiàn)大面積的解理斷裂區(qū)和小面積的延性斷裂區(qū)。較小面積的延性斷裂區(qū)說明了合金具有較小的塑性應(yīng)變，這與圖3應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合。圖5(d)呈現(xiàn)出B33相的穿晶斷裂和B2基體的延性斷裂，其中，B33相穿晶斷裂面呈現(xiàn)出光滑的解理面。等軸晶穿晶斷裂面尺寸范圍為5～20 μm之間，塊狀晶斷裂面的尺寸范圍為20～50 μm之間，這與圖2顯微組織觀察到的尺寸一致。所以，在723 K條件下熱處理合金的斷裂機(jī)制為延性斷裂為主，穿晶斷裂為輔的斷裂機(jī)制；在773 K條件下熱處理合金的斷裂機(jī)制為解理斷裂為主，延性斷裂和穿晶斷裂為輔的斷裂機(jī)制。

圖5 在723 K和773 K熱處理?xiàng)l件下Zr42Co58合金的斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)通過XRD衍射圖譜觀察可知，在723 K和773 K條件下熱處理合金的相組成和鑄態(tài)合金相組成相同，基體為塑性相B2相，在基體上析出大量的B33相，且B33相相對(duì)含量隨著熱處理溫度的增加而減少。

(2)通過金相實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，鑄態(tài)合金和熱處理合金的組織形貌中，B33相的形狀呈等軸狀、條狀以及枝狀，等軸狀顆粒和條狀組織尺寸范圍分別為5～15 μm和20～100 μm。

(3)通過力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，在773 K條件下進(jìn)行熱處理，合金屈服強(qiáng)度為1287 MPa，而斷裂強(qiáng)度為1443 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.27%，維氏硬度為597 HV。

(4)采用SEM觀察斷口形貌，結(jié)果表明，鑄態(tài)合金斷裂機(jī)制為解理斷裂，在723 K條件下熱處理合金斷裂機(jī)制為延性斷裂為主，穿晶斷裂為輔的斷裂機(jī)制；而在773 K條件下熱處理合金斷裂機(jī)制為解理斷裂為主，延性斷裂和穿晶斷裂為輔的斷裂機(jī)制。

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