一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金及其制備方法。本發(fā)明提供的耐低溫Zr基非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四種元素組成，各元素的質(zhì)量百分比分別為：Cu：20.52~20.60%，Ni：8.38~8.54%，Al：5.35~5.49%，其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%；制備方法為：將配制精確的Zr、Cu、Ni和Al純金屬原料放置于爐內(nèi)，置于壓力為5.0~6.0×10-3Pa的惰性氣氛中進行電弧熔化，然后母合金熔體采用銅模滴鑄法成型，即得到低溫性能優(yōu)異的圓柱狀和板狀塊體非晶合金材料。本發(fā)明制備的Zr基非晶合金材料，方法簡單，制備出的非晶合金低溫斷裂韌性優(yōu)異，適于低溫極端條件下的工程材料領(lǐng)域應(yīng)用。
【專利說明】一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及塊體非晶合金材料，具體涉及一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的力學(xué)性能會隨著環(huán)境溫度而發(fā)生改變，在不同環(huán)境溫度下運行的儀器設(shè)備必須要考慮材料的適應(yīng)性。寒帶野外作業(yè)與太空等低溫環(huán)境中，是機械裝備和工程結(jié)構(gòu)材料常面臨的極端環(huán)境條件，目前低溫用金屬材料，通常選擇面心立方結(jié)構(gòu)的金屬；但面心立方金屬的強度較低，尤其是從常溫到低溫發(fā)生溫度變化的環(huán)境中，要保證材料在常溫和低溫下的性能同時具有優(yōu)異的力學(xué)性能，面心立方金屬難以滿足實際需求。尋找適應(yīng)低溫環(huán)境工作的高性能材料，一直是材料領(lǐng)域的前沿課題。
[0003]塊體非晶合金材料由于非晶合金獨特的微觀結(jié)構(gòu)，不存在晶粒晶界、位錯、析出相以及成分偏析與夾雜等缺陷，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，引起了人們的關(guān)注。
[0004]尤其是Zr基塊體非晶合金，具有優(yōu)異的室溫力學(xué)性能:(I)高強度和高硬度，幾乎每個非晶合金系的最高強度都達到了同類晶態(tài)材料的數(shù)倍，其中Zr基非晶合金的強度達2000 MPa，維氏硬度達7 GPa，而且具有相對較低的彈性模量；(2)高彈性應(yīng)變和彈性極限。在壓縮過程中非晶合金的彈性應(yīng)變值都約為2%，Zr-T1-N1-Cu-Al塊體非晶合金的彈性應(yīng)變甚至高達3%。非晶合金的高彈性應(yīng)變和高彈性極限，使之具有極高的彈性比功。Zr基非晶合金的彈性比功為19.0 MJ/m2，比性能最好的彈簧鋼的彈性比功高出8倍以上；(3)高斷
裂韌性。Zr基非晶合金的斷裂韌性Jrc可達80 MPa石。
[0005]塊體非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)為凍結(jié)的過冷液體，不存在晶體結(jié)構(gòu)、位錯等引起冷脆的因素，因此在低溫下仍然保持優(yōu)異的力學(xué)特性，不會造成突然的脆性斷裂，表明塊體非晶合金在低溫極端條件下的工程材料領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值。提高材料的低溫韌性，可以降低材料在低溫下使用時發(fā)生脆性斷裂的傾向，有利于延長零件或構(gòu)件的使用壽命、節(jié)約成本。因此，開發(fā)低溫用結(jié)構(gòu)新材料，具有重要的工程應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為了解決目前低溫環(huán)境中金屬材料易發(fā)生塑性和韌性降低，產(chǎn)生低溫脆斷的問題，而提供一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金及其制備方法。
[0007]本發(fā)明提出的在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金，所述Zr基非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四種元素組成，各元素的質(zhì)量百分比為:
Cu:20.52~20.60%
N1:8.38^8.54%
Al:5.35~5.49%
其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%。[0008]本發(fā)明提出的在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金的制備方法，具體步驟為:將配制精確的Zr、Cu、Ni和Al純金屬原料放置于爐內(nèi)，置于壓力為
5.0^OXlO-3Pa的惰性氣氛中進行電弧熔化，得到母合金熔體，然后母合金熔體采用銅模滴鑄法成型，即得到低溫性能優(yōu)異的圓柱狀和板狀塊體非晶合金材料(Zr65.75~6,37Cu2a52~2(l.6(l
附8.38~8.54AI5.35~5.49)。
[0009]本發(fā)明中，在室溫(298K)下，所述Zr基塊體非晶合金的斷裂韌性值達74.3MPa √m
[0010]本發(fā)明中，在123K低溫下，所述Zr基塊體非晶合金的斷裂韌性值達82.6 MPa ^。
[0011]本發(fā)明與已有的低溫金屬材料材料相比具有如下特點:
(I)成本低廉:本合金所需原料均為廉價、無毒的金屬原料，非常適合于工業(yè)應(yīng)用。
[0012](2)制備過程簡單:采用普通銅模鑄造法可以制備出尺寸、形狀不同的塊體非晶合金材料。
[0013](3)室溫力學(xué)性能優(yōu)異:本合金在室溫條件下具有的抗壓斷裂強度達1954 MPa:斷裂韌性值達74.3 MPa ^。
[0014](4)低溫力學(xué)性能優(yōu)異:本合金在123K低溫下具有的抗壓斷裂強度達2024 MPa:斷裂韌性值達82.6 MPa 。
[0015]綜上所述，用本發(fā)明制備出的Zr65.75~65.37CU2(l.52~2(l.6(lNi8.38~8.54Al5.35~5.49#晶合金針具有優(yōu)異的低溫和室溫力學(xué)性能，其性能可滿足低溫環(huán)境下服役的礦山采掘設(shè)備、林業(yè)采伐設(shè)備、武器裝備、輸油管道、海上設(shè)備、太空設(shè)備等要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為2mm圓棒狀及厚度為2mm的板狀非晶合金樣品Zr65.6Cu2(l.52Ni8.54 Al5.35,非晶合金的X射線衍射圖譜；
圖2為斷裂韌性測試樣品尺寸簡圖；
圖3為不同溫度下的Zr65.6Cu2Q.52Ni8.54 Al5.35非晶合金斷裂韌性值；
圖4為室溫(298K)下Zr65.6Cu2a52Ni8.54 Al5.35塊體非晶合金斷裂韌性缺口根部附近的剪切帶分布；
圖5為123K低溫環(huán)境下Zr65.6Cu2a52Ni8.54 Al5.35塊體非晶合金斷裂韌性缺口根部附近的剪切帶分布。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步詳細(xì)說明。
[0018]實施例1: Zr基塊體非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al組成，其中各元素的質(zhì)量百分比為:Zr 65.6%、Cu 20.52 %、Ni 8.54%,Al 5.35%，該成分為本發(fā)明的較佳成份點。母合金的熔煉采用磁控鎢極電弧爐進行，將配制精確的原料放置于爐內(nèi)，抽真空至5.0-6.0 X 10?,充入氬氣至0.04~0.06MPa作為保護氣體，在200~350Α電流條件下熔煉6(T90s。將熔煉好的母合金置于壓力為0.03、.06MPa的氬氣中進行電弧熔化，然后母合金熔體采用銅模滴鑄法成型，獲得直徑為2mm圓棒狀及厚度為2mm的板狀非晶合金樣品。[0019]試樣的斷裂韌性采用單邊切口法進行測定，在Instron 5500型萬能材料實驗機上進行。試樣的幾何形狀如圖4所示，尺寸為22 (Z)X 4 (F)X 2 (們mm3，跨距夕為16 mm,切口深度a為2 _，四個面經(jīng)研磨和拋光。試樣在三點彎曲狀態(tài)下受力，加載速率為0.05mm/min，每個樣品測試6次，然后取其平均值最為最后結(jié)果。三點彎曲受力下，試樣的斷裂韌性的計算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:所述Zr基塊體非晶合金由Zr、Cu、Ni和Al四種元素組成，其質(zhì)量百分比為:
Cu:20.52~20.60%
N1:8.38^8.54%
Al:5.35~5.49% 其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%。
2.一種如權(quán)利要求1所述的一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金制備方法，其特征在于具體步驟為:將配制精確的Zr、Cu、Ni和Al純金屬原料放置于爐內(nèi)，置于壓力為5.0^OXlO-3Pa的惰性氣氛中進行電弧熔化，得到母合金熔體，然后母合金熔體采用銅模滴鑄法成型，即得到圓柱狀和板狀塊體非晶合金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:在室溫(298K)下，所述Zr基塊體非晶合金的斷裂韌性值達74.3 MPa 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在低溫環(huán)境中具有高斷裂韌性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:在123K低溫下，所`述Zr基塊體非晶合金的斷裂韌性值達82.6 MPa %(^t。
【文檔編號】C22C45/10GK103866208SQ201410076426
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】孫亞娟, 沈軍 申請人:同濟大學(xué)