鐵基非晶合金的制備與性能研究

包文清

摘要：本文利用電弧熔煉銅模吸鑄法制備了名義成分為Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4的鐵基非晶合金。采用同步熱分析儀、X 射線衍射儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、納米壓痕儀和掃描電鏡以此測(cè)定非晶合金的熱力學(xué)性能、原子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、斷口的形貌以及斷裂機(jī)制。結(jié)果表明：成功制備了Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4鐵基塊狀非晶合金，樣品表面光亮且沒有明顯的缺陷，為純非晶結(jié)構(gòu)。其玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為495K左右、晶化起始溫度Tx為530K左右，晶化峰值溫度Tp為600K左右。腐蝕實(shí)驗(yàn)表明：隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵基非晶合金在1mol/L的硫酸、鹽酸、氯化鈉和氫氧化鈉溶液中具有良好的抗腐蝕性，腐蝕速率先增大后趨于穩(wěn)定。其在硫酸溶液的腐蝕速率最高，其次是鹽酸，而氫氧化鈉和氯化鈉溶液的腐蝕速率相對(duì)較低。制備的鐵基非晶合金的納米硬度為23.5GPa，遠(yuǎn)高于一般金屬。拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非晶合金主要的斷裂形式是脆性斷裂，但在拉伸過程中有大約5%的塑性變形，呈現(xiàn)出較好的拉伸塑性。從剪切帶理論、自由體積理論以及混合焓理論對(duì)非晶合金的塑性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鐵基非晶;銅模吸鑄;納米壓痕;斷裂韌性

中圖分類號(hào)：TG139 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1671-2064（2019）17-0000-00

0引言

隨著社會(huì)和科技得不斷發(fā)展，材料的需求量增大，與能源、信息并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。由于非晶合金所具有的優(yōu)異的強(qiáng)度、耐蝕性能和電磁性能等，在材料科學(xué)領(lǐng)域里引起了廣泛的關(guān)注^[1]。Witz于1967年開發(fā)出世界上第一種鐵基非晶，由于其優(yōu)良的軟磁性能，它吸引了世界范圍內(nèi)非晶態(tài)研究的熱潮^[2]。由于其獨(dú)特的鐵磁性能，鐵基非晶通常應(yīng)用于磁芯，在配電變壓器行業(yè)具有深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。鐵基非晶合金的形成能力是制備大尺寸非晶合金的關(guān)鍵，因此很多優(yōu)異性能在實(shí)際應(yīng)用中受到限制^[3]。隨著非晶研究者的不懈努力，其形成能力較強(qiáng)不斷增強(qiáng)。例如沈軍^[4]等人通過銅模吸鑄法制備了形成能力很強(qiáng)的Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄B₆Y₂鐵基塊體非晶合金。

研究非晶合金有益于推動(dòng)材料科學(xué)更進(jìn)一步發(fā)展，非晶合金在醫(yī)學(xué)、航天、電子等行業(yè)的廣泛應(yīng)用更是能直接解決人們的實(shí)際問題。本文旨在用形成能力最大的鐵基塊體非晶合金作為實(shí)驗(yàn)樣品，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行成分的設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)制備出一種具有優(yōu)異性能的Fe基非晶合金，并對(duì)其性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1實(shí)驗(yàn)材料與過程

1.1非晶合金的制備

采用WK-2型真空電弧熔煉爐來名義成分為Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4 （at. %）的合金錠。實(shí)驗(yàn)所需原料有：C、Mo、Y、FeB、430不銹鋼。根據(jù)合金化學(xué)成分獲得原材料所需的質(zhì)量。用電子秤稱取合適質(zhì)量，將原料進(jìn)行干燥后置于熔煉爐的坩堝內(nèi)。用機(jī)械泵和分子泵將爐內(nèi)真空抽至5x10^-3Pa左右。然后，反復(fù)熔煉海綿鈦以去除室內(nèi)剩余的微量氧。反復(fù)熔煉多次獲得主合金錠，之后采用銅模吸鑄法來制備非晶塊狀合金。

1.2非晶合金微觀組織及性能分析

1.2.1熱力學(xué)性能

采用STA449F5同步熱分析儀測(cè)定鐵基非晶合金的相關(guān)熱力學(xué)性能。試驗(yàn)在高純氬氣（99.999%）下進(jìn)行，樣品清洗干凈后置于Al₂O₃坩堝內(nèi)，與參比坩堝一起放入天平兩側(cè)，以20K/min的升溫速率升溫至目標(biāo)溫度1300℃。試驗(yàn)結(jié)束后得到DSC曲線，然后對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，得到非晶合金重要的熱力學(xué)參數(shù)。

1.2.2非晶結(jié)構(gòu)分析

采用X射線衍射儀測(cè)量鐵基非晶試樣的結(jié)構(gòu)，然后用jade軟件對(duì)非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.2.3耐腐蝕性能

對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理去除表面的雜質(zhì)，然后置于事先制備的含腐蝕溶液的密封容器中。浸泡一個(gè)月，環(huán)境溫度為室溫。每腐蝕一天，就對(duì)浸泡的樣品進(jìn)行稱重和記錄。為了減少誤差，實(shí)驗(yàn)多次測(cè)量，計(jì)算出平均值。最后根據(jù)下式計(jì)算腐蝕速率，利用origin8軟件繪制腐蝕速率曲線。

V= （M1-M2）/At

公式中V表示腐蝕速率（單位：g/（m2·h）;M1和M2表示初始重量和腐蝕后的試樣重量（單位：g）;A表示腐蝕表面積（單位：m2）;t表示腐蝕時(shí)間。

1.2.4力學(xué)性能

采用CTM2500萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和納米壓痕儀測(cè)量非晶合金的力學(xué)性能。用于分析接頭抗拉強(qiáng)度、硬度以及斷口形貌變化規(guī)律。使用拉伸測(cè)試機(jī)可得到各接頭強(qiáng)度值。用掃描電鏡觀察拉伸斷口得到斷裂位置和方式等。采用iMicro納米壓痕儀測(cè)量鐵基非晶合金的納米硬度及楊氏模量，設(shè)置最大壓入深度為2000nm。

2結(jié)果與分析

2.1 鐵基塊狀非晶合金的制備

圖1所示為經(jīng)過電弧熔煉銅模吸鑄制成的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4鐵基塊狀非晶合金。利用電火花線切割機(jī)把板狀的大塊鐵基非晶合金切好，并用砂紙打磨拋光后用于其他分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2.2非晶合金微觀組織及性能分析

2.2.1 熱力學(xué)性能分析

試樣分析處理后的曲線如圖2所示，從圖中可以看到DSC曲線在550K時(shí)產(chǎn)生了明顯的玻璃轉(zhuǎn)變，其玻璃轉(zhuǎn)化溫度為495K，晶化溫度為530K，此外還可以觀察到一個(gè)明顯的過冷液相區(qū)。

2.2.2 非晶結(jié)構(gòu)分析

圖3所示為所鑄的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4鐵基非晶合金的 XRD衍射圖譜，在80°附近有一個(gè)明顯的漫散射峰，在40°到50°也檢測(cè)出了漫散射峰，且并未檢測(cè)出明顯尖銳晶體衍射峰，證明了制備的鐵基塊狀非晶合金具備非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.2.3 耐腐蝕性能分析

從圖4可知，氯化鈉和氫氧化鈉溶液中的腐蝕速率相對(duì)較低，和硫酸溶液中的腐蝕速率最高，其次是鹽酸溶液，表明非晶樣品更耐氯化鈉和氫氧化鈉腐蝕和耐酸性溶液的腐蝕。從圖中還可以看出，四種腐蝕介質(zhì)的腐蝕速率都呈現(xiàn)出先快速增長(zhǎng)，然后隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)基本穩(wěn)定的規(guī)律。

2.2.4 力學(xué)性能分析

圖5為鐵基非晶合金的納米壓痕測(cè)試曲線。由圖可知非晶合金的納米硬度高達(dá)23.5GPa，楊氏模量為350GPa。其綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的金屬，具有較好的應(yīng)用前景。

圖6為樣品在室溫下的拉伸力位移曲線。樣品在發(fā)生2%左右的彈性變形之后，開始發(fā)生屈服，進(jìn)而產(chǎn)生鋸齒流變現(xiàn)象，并發(fā)生6%左右的平均塑性變形。樣品在屈服后，會(huì)發(fā)生一定程度的軟化現(xiàn)象，這與晶體中的加工硬化現(xiàn)象是相反的。樣品的軟化與剪切帶中能量的耗散有關(guān)^[5]。

圖6樣品的拉伸載荷-位移曲線

載荷-位移曲線可以看出，復(fù)合板沒有發(fā)生塑性屈服，最大拉力為1218.6N。根據(jù)拉剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：──最大荷重

——長(zhǎng)度

——寬度

本實(shí)驗(yàn)拉伸長(zhǎng)度為1mm，寬度為1mm。計(jì)算得非晶合金抗拉強(qiáng)度為1218.6MPa，圖7為鐵基非晶合金拉伸斷口SEM圖，可見較多的解理臺(tái)階以及部分拉長(zhǎng)韌窩，說明斷裂的主要方式還是脆性斷裂，部分韌窩的出現(xiàn)呈現(xiàn)典型的韌性斷裂。從SEM的斷面形態(tài)來看，宏觀剪切帶的多重萌生擴(kuò)展是制備樣品產(chǎn)生良好壓縮塑性的重要原因。由于合金中含有Cr/Mo原子對(duì)，這些原子之間結(jié)合力比較弱，故不能排除小尺度相分離和局部成分不均勻?qū)ζ渌苄缘挠绊?sup>[6]。因此，我們認(rèn)為，制備樣品剪切帶萌生的機(jī)理可能是由于正混合焓元素添加導(dǎo)致STZ數(shù)量增加，意味著剪切帶的多重萌生，由于STZ的分布不是均勻的，剪切帶在萌生之后的擴(kuò)展，發(fā)生相互交織，從而產(chǎn)生我們的宏觀剪切帶相互交織，這可能是制備樣品產(chǎn)生良好壓縮塑性的根本原因^[7]。

3結(jié)論與展望

本次試驗(yàn)通過電弧熔煉以及銅模吸鑄法制成尺寸較大的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4鐵基塊狀非晶合金。通過拉伸性能測(cè)試、同步熱分析儀（DSC）、腐蝕測(cè)試、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）等測(cè)試方法對(duì)非晶合金試樣進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)非晶合金的制備以及塑性等力學(xué)性能進(jìn)行了研究。得到以下結(jié)論：

（1）鐵基非晶合金為純非晶結(jié)構(gòu)，玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為495K、晶化起始溫度Tx為530K，晶化峰值溫度Tp為600K。

（2）浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵基非晶塊狀合金在1mol/L的硫酸、鹽酸、氯化鈉和氫氧化鈉溶液中具有良好的耐腐蝕性，腐蝕速率先增大后趨于穩(wěn)定。在硫酸溶液的腐蝕速率最高，其次是鹽酸，而氫氧化鈉和氯化鈉溶液的腐蝕速率相對(duì)較低，兩者的腐蝕速率相似。

（3）納米壓痕測(cè)試得到鐵基非晶合金的納米硬度為23.5GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般金屬的硬度。

（4）非晶合金主要的斷裂形式是脆性斷裂，但是在拉伸過程中有大約5%的塑性變形。非晶合金中產(chǎn)生了較多的STZ單元，而這些單元在受到剪切力之后發(fā)生協(xié)調(diào)變形，并形成STZs，STZs即剪切帶，從而表現(xiàn)出拉伸塑性。

非晶合金作為一種性能優(yōu)秀的材料，有著高的彈性模量、高硬度、斷裂強(qiáng)度、耐磨性和良好的抗腐蝕性能等有著優(yōu)秀的性能。但在室溫條件下其呈現(xiàn)脆性本質(zhì)，通常沒有拉伸塑性，這使得非晶合金的實(shí)際應(yīng)用受到了限制。隨著對(duì)非晶合金拉伸塑性的深入研究，相信這一限制可以得到解決。

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[7]Lu Z P， Liu C T， Thompson J R， et al. Structural amorphous steels [J].Applied Physics Letters，2004，92（24）：245503.收稿日期：2019-07-12作者簡(jiǎn)介：包文清，女，內(nèi)蒙古通遼人，研究方向：理工類材料學(xué)。