黑龍江科技大學學報：CuZr基非晶復合材料的拉伸性能

非晶合金是指一類兼具金屬與玻璃雙重特性的材料。與傳統晶體材料相比，非晶材料具有許多優異性能，其內部原子排列具有長程無序、短程有序、無位錯缺陷、無晶界缺陷等特點。但由于均質非晶合金在室溫拉伸條件下塑性變形幾乎為零，這種無預警式破壞方式使其高強度、高斷裂韌性等優異的力學性能在服役過程中無法體現出來，極大限制其作為結構材料的實際應用，而CuZr基非晶復合材料的出現對其塑性有了一定改善，國內外一些學者己取得一些研究進展，他們發現加入了Ni的CuZr基非晶復合材料在進行拉伸測試時，有略微的拉伸塑性變形現象出現，但并無整體、大比例的塑性變形，而在加入了Nb的合金出現了大的拉伸塑性。

       實驗材料為質量分數99. 9%的Cu，Zr，Al及Nb單質，按成分Cu45Zr48Al4Nb3配置母合金錠。通過施加320A的電弧電流，在高純氫氣保護、Ti吸氣條件下，在鎢極真空電弧爐中熔煉合金錠。為使合金化學成分均勻，合金錠在爐中反復熔煉四次。通過銅模吸鑄的方法，將母合金錠制備為直徑3mm、長45mm的圓棒狀試樣。

       使用蔡司金相顯微鏡觀察材料的顯微組織形貌。通過X射線衍射儀確定物相組成。使用電子萬能材料試驗機進行拉伸實驗。拉伸過程中，預先加載80N，加載速率控制為0.069mm/min。斷口形貌采用掃描電子顯微鏡觀察分析。

（1）顯微組織結構與物相組成

        圖1為Cu45Zr48Al4Nb3合金顯微組織形貌金相照片(50倍)。

圖1:合金顯微組織形貌金相照片

       由圖1可見，在Cu45Zr48Al4Nb3合金中，有B2-CuZr相析出，呈現較為規則的橢圓狀。中心部析出的晶體相較小，而邊緣的晶體相較大且大多聚集排列。

       通過軟件計算材料截面的晶化面積分數近似表征其晶化體積分數為8.6%。

圖2:合金XRD圖譜

       圖2為Cu45Zr48Al4Nb3合金的XRD圖譜。由圖2可以看出，在衍射角為35°~45°范圍內出現具有非晶特征的漫散峰，在漫散峰峰頂出現尖銳的布拉格衍射峰，這是典型的非晶復合材料X射線衍射特征，表明該材料為非晶復合材料。

（2）拉伸性能

       室溫下進行Cu45Zr48Al4Nb3非晶復合材料拉伸性能實驗，得到拉伸應力-應變曲線如圖3所示。

圖3:合金應力-應變拉伸曲線

       由圖3可見，樣品在彈性變形后未出現屈服及塑性變形就直接斷裂，斷裂強度為1290MPa，彈性應變為1.54%。

（3）拉伸斷口形貌

       圖4為Cu45Zr48Al4Nb3非晶復合材料的室溫拉伸斷口表面和側面形貌。

圖4:合金室溫拉伸斷口形貌

       由圖4a可以看出，斷面與拉伸軸向應力之間夾角為51°，略大于剪切應力與軸向拉伸應力間夾角45°，這是由于非晶合金抗拉強度較大，在斷裂瞬間軸向應力對斷裂面產生影響導致斷口表面與拉伸應力間夾角大于45°，符合莫爾-庫倫準則，斷裂方式為剪切斷裂。在圖4b中，側表面上存在少量剪切帶，如白色箭頭所示。在圖4c中，可觀察到斷口表面出現體現非晶合金斷口特征的脈絡紋絡。這是由于非晶合金斷裂瞬間高度局部化的剪切帶內部快速升溫，以及斷裂過程中的豁性流動導致這種脈紋形貌的形成。這樣的結構表明，在納米尺度上，非晶合金在斷裂期間存在納米級的局部軟化和塑性。在白色虛線圓圈中，可觀察到一些類似小液滴的黏性物質，這是由于在斷裂瞬間應力集中，局部產生大量熱，造成瞬時熔化，形成小液滴狀物質。

       （1）Cu45Zr48Al4Nb3合金為非晶復合材料，材料中析出了B2-CuZr晶體相。

       （2）Cu45Zr48Al4Nb3非晶復合材料在拉伸過程中只存在彈性變形，無明顯的宏觀塑性變形。  

       （3）Cu45Zr48Al4Nb3非晶復合材料的斷裂方式為剪切斷裂，合金拉伸斷口表面存在密集的脈絡條紋和熔融的液滴狀物質，存在微觀塑性。