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《ACTA MATER》王剛等工作：硫?qū)︺~鋯合金玻璃形成、相變和力學(xué)性能影響

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-12-14  瀏覽次數(shù)：2942
自2004年發(fā)現(xiàn)二元Cu-Zr體系中形成塊狀玻璃以來，該合金體系因其科學(xué)和工業(yè)意義而迅速引起了研究界的極大關(guān)注。Cu-Zr二元塊狀金屬玻璃(BMG)的發(fā)展相對(duì)于普遍認(rèn)為BMG必須是由三種以上元素組成的多組分體系的觀點(diǎn)。Cu-Zr系統(tǒng)結(jié)合了高玻璃化能力（GFA）和簡(jiǎn)單的組分，因此是研究與非晶態(tài)固體有關(guān)的許多基本科學(xué)問題（如GFA、原子結(jié)構(gòu)、弛豫行為和玻璃化轉(zhuǎn)變）的理想候選對(duì)象，特別是通過原子尺度的計(jì)算模擬進(jìn)行研究。在過去的幾十年中，人們對(duì)Cu-Zr二元體系的基本特性進(jìn)行了廣泛的研究。這些研究獲得的知識(shí)加深了人們對(duì)金屬玻璃性質(zhì)的理解，并使Cu-Zr系統(tǒng)成為金屬玻璃界最著名的合金系統(tǒng)之一。除了其重要的研究價(jià)值外，二元體系作為一種結(jié)構(gòu)材料還具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景，因?yàn)樗Y(jié)合了許多理想的特性，即低成本、高強(qiáng)度、獨(dú)特的壓縮延展性和無毒性。

上海大學(xué)王剛等利用實(shí)驗(yàn)室X射線衍射(XRD)、同步輻射高能XRD(HESXRD)、差示掃描量熱法和單軸壓縮測(cè)試，對(duì)Cu50Zr50玻璃形成體系中硫添加的影響進(jìn)行了深入研究。本研究發(fā)現(xiàn)，Cu50Zr50體系的玻璃化能力（GFA）、熱穩(wěn)定性、加熱和冷卻過程中的相變順序以及機(jī)械性能對(duì)硫濃度高度敏感。適當(dāng)添加硫不僅能穩(wěn)定 B2-CuZr相，還能提高體系的GFA。這樣就能形成僅含有B2相的BMG復(fù)合材料，從而在壓縮載荷下兼具高強(qiáng)度和巨大的塑性應(yīng)變。新開發(fā)的硫含量為0.5和1.0at.%的BMG復(fù)合材料的總應(yīng)變高達(dá)∼10at.%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前報(bào)道的Cu50Zr50BMG的應(yīng)變。這些優(yōu)越性能使Cu-Zr-S BMG復(fù)合材料成為工業(yè)應(yīng)用中的理想候選材料。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，過量添加硫會(huì)導(dǎo)致合金熔體冷卻時(shí)析出Cu10Zr7相，而從玻璃態(tài)加熱時(shí)則會(huì)析出硫化物相。HESXRD實(shí)驗(yàn)表明，Zr原子和S原子間的優(yōu)先鍵合可能是原子尺度上的決定性結(jié)構(gòu)機(jī)制，從而導(dǎo)致加熱和冷卻初級(jí)結(jié)晶順序的改變。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加強(qiáng)了硫在BMG合金開發(fā)和性能調(diào)整中的重要作用，特別是考慮到硫在相關(guān)改性中的低成本、良好可用性和無毒性。相關(guān)研究成果以“Influence of sulfur addition on the glass formation, phase transformation and mechanical properties of Cu50Zr50 alloy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，硫的添加會(huì)顯著影響Cu50Zr50玻璃成形合金的GFA、相形成順序和壓縮機(jī)械性能。少量的硫添加量（S £ 3.0 at.%）可提高GFA和B2-CuZr相的穩(wěn)定性，從而誘導(dǎo)形成唯一含B2相的BMG復(fù)合材料。鑄造后的CuZrS0.5和CuZrS1.0BMG復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，在壓縮試驗(yàn)中總應(yīng)變超過10%。高強(qiáng)度和明顯的塑性伸長相結(jié)合，使得Cu-Zr-S BMG復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)應(yīng)用中大有可為。硫含量為∼3.0at.%時(shí)，是硫添加量的臨界值，超過這個(gè)臨界值，GFA會(huì)急劇下降。S>3.0at.%時(shí)GFA的下降應(yīng)歸因于凝固過程中Cu10Zr7相的形成。通過HESXRD 進(jìn)行的原子研究表明，在合金化過程中，硫傾向于與Zr而不是與Cu結(jié)合，從而在合金中生成Zr-S簇和富含Cu的基體。富銅區(qū)域的形成解釋了為什么過量的硫會(huì)導(dǎo)致在冷卻過程中形成低溫平衡相Cu10Zr7。此外，硫還能改變所研究合金體系在加熱時(shí)的熱穩(wěn)定性和結(jié)晶行為。當(dāng)硫濃度增加到3.0at.%時(shí)，使用原位HESXRD技術(shù)發(fā)現(xiàn)硫化物相在加熱過程中優(yōu)先析出。了解了硫在自上而下冷卻和自下而上加熱過程中影響結(jié)晶順序的作用后，就可以通過調(diào)節(jié)硫含量來定制BMG的微觀結(jié)構(gòu)和性能。總之，這項(xiàng)研究成果進(jìn)一步證明了硫是一種有效的BMG微合金元素。含硫BMGs或BMG復(fù)合材料的開發(fā)可能會(huì)加速金屬玻璃的商業(yè)化進(jìn)程。


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