铁基非晶合金的制备与性能研究

包文清

摘要：本文利用电弧熔炼铜模吸铸法制备了名义成分为Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4的铁基非晶合金。采用同步热分析仪、X 射线衍射仪、万能试验机、纳米压痕仪和扫描电镜以此测定非晶合金的热力学性能、原子结构、力学性能、断口的形貌以及断裂机制。结果表明：成功制备了Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4铁基块状非晶合金，样品表面光亮且没有明显的缺陷，为纯非晶结构。其玻璃转化温度Tg为495K左右、晶化起始温度Tx为530K左右，晶化峰值温度Tp为600K左右。腐蚀实验表明：随着腐蚀时间的延长，铁基非晶合金在1mol/L的硫酸、盐酸、氯化钠和氢氧化钠溶液中具有良好的抗腐蚀性，腐蚀速率先增大后趋于稳定。其在硫酸溶液的腐蚀速率最高，其次是盐酸，而氢氧化钠和氯化钠溶液的腐蚀速率相对较低。制备的铁基非晶合金的纳米硬度为23.5GPa，远高于一般金属。拉伸实验发现非晶合金主要的断裂形式是脆性断裂，但在拉伸过程中有大约5%的塑性变形，呈现出较好的拉伸塑性。从剪切带理论、自由体积理论以及混合焓理论对非晶合金的塑性进行分析。

关键词：铁基非晶;铜模吸铸;纳米压痕;断裂韧性

中图分类号：TG139  文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

0引言

随着社会和科技得不断发展，材料的需求量增大，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。由于非晶合金所具有的优异的强度、耐蚀性能和电磁性能等，在材料科学领域里引起了广泛的关注^[1]。Witz于1967年开发出世界上第一种铁基非晶，由于其优良的软磁性能，它吸引了世界范围内非晶态研究的热潮^[2]。由于其独特的铁磁性能，铁基非晶通常应用于磁芯，在配电变压器行业具有深远的发展前景。铁基非晶合金的形成能力是制备大尺寸非晶合金的关键，因此很多优异性能在实际应用中受到限制^[3]。随着非晶研究者的不懈努力，其形成能力较强不断增强。例如沈军^[4]等人通过铜模吸铸法制备了形成能力很强的Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄B₆Y₂鐵基块体非晶合金。

研究非晶合金有益于推动材料科学更进一步发展，非晶合金在医学、航天、电子等行业的广泛应用更是能直接解决人们的实际问题。本文旨在用形成能力最大的铁基块体非晶合金作为实验样品，在此基础上进行成分的设计，结合相关文献制备出一种具有优异性能的Fe基非晶合金，并对其性能和结构进行表征。

1实验材料与过程

1.1非晶合金的制备

采用WK-2型真空电弧熔炼炉来名义成分为Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4 （at. %）的合金锭。实验所需原料有：C、Mo、Y、FeB、430不锈钢。根据合金化学成分获得原材料所需的质量。用电子秤称取合适质量，将原料进行干燥后置于熔炼炉的坩埚内。用机械泵和分子泵将炉内真空抽至5x10^-3Pa左右。然后，反复熔炼海绵钛以去除室内剩余的微量氧。反复熔炼多次获得主合金锭，之后采用铜模吸铸法来制备非晶块状合金。

1.2非晶合金微观组织及性能分析

1.2.1热力学性能

采用STA449F5同步热分析仪测定铁基非晶合金的相关热力学性能。试验在高纯氩气（99.999%）下进行，样品清洗干净后置于Al₂O₃坩埚内，与参比坩埚一起放入天平两侧，以20K/min的升温速率升温至目标温度1300℃。试验结束后得到DSC曲线，然后对数据曲线进行分析，得到非晶合金重要的热力学参数。

1.2.2非晶结构分析

采用X射线衍射仪测量铁基非晶试样的结构，然后用jade软件对非晶结构进行分析。

1.2.3耐腐蚀性能

对试样进行预处理去除表面的杂质，然后置于事先制备的含腐蚀溶液的密封容器中。浸泡一个月，环境温度为室温。每腐蚀一天，就对浸泡的样品进行称重和记录。为了减少误差，实验多次测量，计算出平均值。最后根据下式计算腐蚀速率，利用origin8软件绘制腐蚀速率曲线。

V= （M1-M2）/At

公式中V表示腐蚀速率（单位：g/（m2·h）;M1和M2表示初始重量和腐蚀后的试样重量（单位：g）;A表示腐蚀表面积（单位：m2）;t表示腐蚀时间。

1.2.4力学性能

采用CTM2500万能试验机和纳米压痕仪测量非晶合金的力学性能。用于分析接头抗拉强度、硬度以及断口形貌变化规律。使用拉伸测试机可得到各接头强度值。用扫描电镜观察拉伸断口得到断裂位置和方式等。采用iMicro纳米压痕仪测量铁基非晶合金的纳米硬度及杨氏模量，设置最大压入深度为2000nm。

2结果与分析

2.1 铁基块状非晶合金的制备

图1所示为经过电弧熔炼铜模吸铸制成的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4铁基块状非晶合金。利用电火花线切割机把板状的大块铁基非晶合金切好，并用砂纸打磨抛光后用于其他分析测试实验。

2.2非晶合金微观组织及性能分析

2.2.1 热力学性能分析

试样分析处理后的曲线如图2所示，从图中可以看到DSC曲线在550K时产生了明显的玻璃转变，其玻璃转化温度为495K，晶化温度为530K，此外还可以观察到一个明显的过冷液相区。

2.2.2 非晶结构分析

图3所示为所铸的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4铁基非晶合金的 XRD衍射图谱，在80°附近有一个明显的漫散射峰，在40°到50°也检测出了漫散射峰，且并未检测出明显尖锐晶体衍射峰，证明了制备的铁基块状非晶合金具备非晶态结构。

2.2.3 耐腐蚀性能分析

从图4可知，氯化钠和氢氧化钠溶液中的腐蚀速率相对较低，和硫酸溶液中的腐蚀速率最高，其次是盐酸溶液，表明非晶样品更耐氯化钠和氢氧化钠腐蚀和耐酸性溶液的腐蚀。从图中还可以看出，四种腐蚀介质的腐蚀速率都呈现出先快速增长，然后随着浸泡时间的延长基本稳定的规律。

2.2.4 力学性能分析

图5为铁基非晶合金的纳米压痕测试曲线。由图可知非晶合金的纳米硬度高达23.5GPa，杨氏模量为350GPa。其综合力学性能远远高于一般的金属，具有较好的应用前景。

图6为样品在室温下的拉伸力位移曲线。样品在发生2%左右的弹性变形之后，开始发生屈服，进而产生锯齿流变现象，并发生6%左右的平均塑性变形。样品在屈服后，会发生一定程度的软化现象，这与晶体中的加工硬化现象是相反的。样品的软化与剪切带中能量的耗散有关^[5]。

图6样品的拉伸载荷-位移曲线

载荷-位移曲线可以看出，复合板没有发生塑性屈服，最大拉力为1218.6N。根据拉剪强度计算公式：

式中：──最大荷重

——长度

——宽度

本实验拉伸长度为1mm，宽度为1mm。计算得非晶合金抗拉强度为1218.6MPa，图7为铁基非晶合金拉伸断口SEM图，可见较多的解理台阶以及部分拉长韧窝，说明断裂的主要方式还是脆性断裂，部分韧窝的出现呈现典型的韧性断裂。从SEM的断面形态来看，宏观剪切带的多重萌生扩展是制备样品产生良好压缩塑性的重要原因。由于合金中含有Cr/Mo原子对，这些原子之间结合力比较弱，故不能排除小尺度相分离和局部成分不均匀对其塑性的影响^[6]。因此，我们认为，制备样品剪切带萌生的机理可能是由于正混合焓元素添加导致STZ数量增加，意味着剪切带的多重萌生，由于STZ的分布不是均匀的，剪切带在萌生之后的扩展，发生相互交织，从而产生我们的宏观剪切带相互交织，这可能是制备样品产生良好压缩塑性的根本原因^[7]。

3结论与展望

本次试验通过电弧熔炼以及铜模吸铸法制成尺寸较大的Fe_53.3Cr_21.7C_13.4Mo_11.8B_8.2Y_2.4铁基块状非晶合金。通过拉伸性能测试、同步热分析仪（DSC）、腐蚀测试、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等测试方法对非晶合金试样进行了检测，对非晶合金的制备以及塑性等力学性能进行了研究。得到以下结论：

（1）铁基非晶合金为纯非晶结构，玻璃转化温度Tg为495K、晶化起始温度Tx为530K，晶化峰值温度Tp为600K。

（2）浸泡试验结果表明，随着浸泡时间的延长，铁基非晶块状合金在1mol/L的硫酸、盐酸、氯化钠和氢氧化钠溶液中具有良好的耐腐蚀性，腐蚀速率先增大后趋于稳定。在硫酸溶液的腐蚀速率最高，其次是盐酸，而氢氧化钠和氯化钠溶液的腐蚀速率相对较低，两者的腐蚀速率相似。

（3）纳米压痕测试得到铁基非晶合金的纳米硬度为23.5GPa，远远高于一般金属的硬度。

（4）非晶合金主要的断裂形式是脆性断裂，但是在拉伸过程中有大约5%的塑性变形。非晶合金中产生了较多的STZ单元，而这些单元在受到剪切力之后发生协调变形，并形成STZs，STZs即剪切带，从而表现出拉伸塑性。

非晶合金作为一种性能优秀的材料，有着高的弹性模量、高硬度、断裂强度、耐磨性和良好的抗腐蚀性能等有着优秀的性能。但在室温条件下其呈现脆性本质，通常没有拉伸塑性，这使得非晶合金的实际应用受到了限制。随着对非晶合金拉伸塑性的深入研究，相信这一限制可以得到解决。

参考文献

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[2]张永章，谢致薇，杨元政.等.铜基块体非晶合金的研究进展[J].广东有色金属学报，2006，11（1）：41-45.

[3]Z. Parlar， M.Bakkal，A.J.Shih.Sliding tribological characteristics of Zr-based bulk metallic glass [J].Intermetallics，2008，16（1）0-41.

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[6]闫相全，宋晓艳，张久兴.块体非晶合金材料的研究进展[J].稀有金属材料与工程，2008，32（5）：932-934.

[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作者简介：包文清，女，内蒙古通辽人，研究方向：理工类材料学。