文摘

本研究揭示了Nb的角色和倪小除了ZrCuAl批量金属玻璃的纳米机械性质和纳米结构(BMG)。为此,原子力显微镜(AFM)是用来评估的粘弹性响应BMG表面纳米尺度,而nanoindentation技术应用于显示塑性变形的机制。结果表明,较小的Nb除了减少的焓松弛伴随着结构异质性的削弱。另一方面,倪除了改善材料的储存能量和强化组织松散的分布地区。此外,机械测试了倪还提高了粘弹性反应;然而,它是在蠕变阻力为代价的。评价nanoindentation导数的大小的测试也证明了Ni-added样本表现出多重剪切带为塑性变形模式。

1。介绍

由于无定形结构,大部分金属玻璃(融合)具有优良性能,如耐蚀性好,优越的强度和良好的磁特性(1- - - - - -5]。然而,外部载荷下的不均匀塑性变形限制了他们的应用程序在行业6,7]。近年来,微量元素添加的一个主要方法改善均匀塑性变形和强度的融合(8- - - - - -10]。强化非晶态合金的结构异质性决定了同质可塑性的水平。玻璃结构的异质性起源于松散的随机散射区域免费卷在一个刚性支柱与短期和中期订单(11]。考虑到合金化过程,朱et al。12)表明,Sc成ZrCuNiAlTi BMG改善空间异质性和塑性变形,这是由于大原子半径的Sc和重要的原子结构尺寸不匹配。梁等。13)报道,一个适当的替代W增强铁的塑性变形和FeCrMoWCBY BMG的极限抗压强度。腾et al。14]表明氢合金化过程诱导更多的地区和液状物丰富的流动单元,触发剪切事件和均匀塑性变形。也发现,氢合金化激活软点和改进结构的异质性,从而促进多重剪切带(15]。金等。16]表明,高频部分替换与铜增强抗压屈服强度与塑性应变。曹et al。17)报道,微量元素添加积极的热混合成ZrCuAl非晶态合金不仅提高了玻璃的形成也诱导均匀塑性变形。基于他们的结果,小正热的元素混合更高效的提高玻璃形成由于液体稳定,而元素中积极的混合增强通过强化塑性变形热结构异质性。

正如上面提到的,适当的小而且可以提高结构异质性和同质融合的塑性变形。然而,它需要识别合金化效果与高分辨率的仪器结构异质性。近年来,原子力显微镜(AFM)已经提供了这个目的(18- - - - - -20.]。例如,马哈茂德•艾哈迈迪et al。21)应用动态AFM描述shock-peened BMG纳米区域的放松。利用高分辨率AFM,发现化学变化改变了非晶态合金的结构非均质性(22]。Samavatian et al。23]表明,low-dissipated地区抵制能源改变重复AFM扫描,而high-dissipated地区表现出随机行为。使用接触共振AFM,据报道,纳米级区与杰出的异质性引起广泛的能态分布系统(24]。提到的作品显然表明AFM纳米区域的评价是一种有效的仪器在融合的表面。因此,我们使用这个方法来描述下的纳米级结构异构融合的轻微增加。为此,Zr型57铜32艾尔10BMG被选为基合金,镍和Nb元素掺杂物。相信原子大小的差异和热力学行为倪和Nb显著变化的热行为,ZrCuAl合金显微组织和力学性能。因此,预计结果阐明了构造演化之间的关系,在这个合金塑性变形和强度。

2。材料和方法

材料准备、锭、锆合金成分的57铜32艾尔10,(Zr57铜32艾尔10)97年倪3,和(锆57铜32艾尔10)97年注3通过元素的电弧熔化捏造纯度> 99.8%。后来,水冷铜型铸造应用于生产BMG盘子的尺寸 。差示扫描量热法(DSC)和x射线衍射(XRD)测试也进行描述的热特性和无定形态BMG盘子。

研究结构非均质性、高分辨率原子力显微镜(AFM)是应用于开发模式。在这个实验中,样品被剪切了盘子和抛光表面获得均匀。一把锋利的探测与齿顶圆直径 促进了高分辨率扫描样本。表面的能量耗散计算相移的测量(21]。获得可靠的结果,AFM扫描样品表面是在不同的窗口进行的。考虑(1),可以计算表面的能量耗散依照相移测量(25]:

在这个方程,问和K阻尼因子和弹簧常数。定义的阶段转变φ,而置位点振幅和自由振幅显示一个sp和一个0,分别。给出计算能量耗散的细节在25,26]。BMG样品的纳米机械性质也由nanoindentation评估测试。实验在室温下进行的加载率下1 mNs−1。举办时间在最大负载是10年代,而最大负载是25 mN。热漂移校正也执行消除漂移的影响,获得准确的结果与最小波动。使统计评估,80年缩进为每个样本点进行了测试。此外,导数的大小( )计算每个状态。一般来说,这个术语表明pop-ins关于缩进负载的变化。

3所示。结果与讨论

标本的XRD模式见图1(一)。结果表明,存在没有大幅布拉格峰的迹象XRD模式,这意味着缺乏远程订单样品的原子结构。图1 (b)代表放松地区样品的热历史。观察,焓松弛是7.7 J / g, 8.1 J / g和6.9 J / g ZrCuAl, ZrCuAlNi,分别和ZrCuAlNb样本。这个结果意味着倪还增加了系统中储存能量,导致结构非均质性的强化,而Nb之外创建一个放松的结构更稳定的原子组态。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
(一)x射线衍射模式和(b) DSC曲线松弛区域的所有的样品。

以结构异质性的特征,应测量能量耗散的分布在非晶态合金。但值得注意的是,利用负荷的AFM提示被限制,所以没有塑性变形发生在表面上。因此,表面的能量耗散是无定形结构的粘弹性响应的结果到外部激励(提示攻丝)27]。图2显示了线性扫描的相移和地形分析ZrCuAl样品在相同的位置。可以看到,相移和高度变化表现出不同的趋势,也就是说,没有强大的相位滞后之间的相关性和样品的粗糙度。此外,表面的高度波动的范围0.2 - -0.75 nm,这表明仔细的抛光表面光滑。图3给出了二维地图的能量耗散的样本。作为证明,high-dissipated-energy区域嵌入低耗散能量的骨干。一般来说,结构性缺陷等自由体积耗散能量显著的地区,而短程和中程订单密集结构耗散能量较低(18]。这个事件是由于免费卷提示攻下表现出粘弹性响应,导致一个巨大的能量释放,而密集的地区显示刚性反应如水晶合金(28]。这个描述清楚地表明为什么金属玻璃异构结构在纳米尺度上。然而,结果显示,在每个样本异质性的强化是不同的。ZrCuAl合金,能量耗散的范围在20.1 - -77.1 eV。另一方面,ZrCuAlNi展品的能量耗散范围19.8 - -99.5 eV,显示结构非均质性的强化,而Nb-added示例显示了一个弱非均质性的狭窄范围的能量耗散值19.8 - -59.6 eV。正如前面提到的图1Nb-added样本包括最小储存能量,与弱结构非均质性是一致的。另一方面,Ni-added样本的高焓松弛,这意味着系统会显示其结构急剧异质性。进行详细的研究,能量耗散的FFT分析基于极坐标表示在图给出4。结果显示,ZrCuAl合金的数据分布在一个椭圆形的中心人物。ZrCuAlNi,数据分布比较散,一把锋利的椭圆形倾斜配置中心。另一方面,Nb-added样本的收集的数据在中心,强化暗示弱结构异质性在这种状态下。能量耗散的Gaussian-type分布的样本图表示5(一个)- - - - - -5 (c)。来衡量,ZrCuAl能量的平均值,ZrCuAlNb,和ZrCuAlNi 40.2 eV, 48.3 eV,分别和51.5 eV。结果还表明,ZrCuAlNb合金有一个锋利的能量分布,而Ni-added样品展览扩大分布也转移到更高的能量的值。定量分析样品的结构非均质性,可以确定相关函数通过使用松散区域的长度尺度(ξ在原子结构()29日]: 在哪里α和σ参数引入相移指数和相移的均方根值,分别。此外,可以通过定义相关函数 ,在这P1(r),P(0)在坐标相移值(x,y)和参考位置(0,0),分别为(29日]。图5 (d)显示了P(r)曲线距离的函数。数据拟合的P(r),可以提取相关长度(ξ)的样本。可以看出倪小除了导致相关长度的增加从6.41 nm (ZrCuAl) 8.34 nm,虽然ZrCuAlNb经历较低ξ值(5.91海里)。这个结果澄清,松散的区域的大小显著减少的Nb基合金。其他作品也证实,Nb或Ni除了明显改变ZrCuAl非晶合金的结构特点(30.]。此外,建议小倪除了提高总-混合焓的材料和集合管的短程有序类型(地面读数)集群而不是他们的人口,导致增加焓松弛。“在这种状态下,上升的SRO”类型改变了中程订单(mro)相互安排宽松的配置,它提供了潜在的网站剪切转换的成核区(STZs)结构。另一方面,这对分布函数(PDF)分析表明小Nb除了导致地面读数集群的收缩,这是由于Zr和Nb的强相互作用系统中原子伴随着债券缩短(31日]。此外,Nb除了致密的空间连接结构和加剧的相互影响的mro ZrCuAlNb合金。这种现象是由于减少Zr-centered和Al-centered集群负责建立纳米ZrCuAl BMG(宽松的地区30.]。因此,结果表明,Nb除了增加密集的原子订单和减少的焓松弛ZrCuAl BMG和结构异质性。


图2
线性扫描的相移和ZrCuAl地形在同一个位置。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图3
能量耗散的2 d地图扫描的大小 纳米2(一)ZrCuAl ZrCuAlNb (b)和(c) ZrCuAlNi。
(一)
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(b)
(b)
(c)
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图4
FFT数据(a) ZrCuAl能量耗散,ZrCuAlNb (b)和(c) ZrCuAlNi。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
高斯(a) ZrCuAl能量分布,(b) ZrCuAlNb, (c) ZrCuAlNi和(d)相移相关函数的所有样品。

BMG标本的荷载位移曲线在图表示6(一)。发现倪还显著提高了位移(hBMG);然而,Nb除了导致减少nanoindentation下的塑性变形过程。此外,倪除了加剧蠕变位移最大负载。这意味着Ni-added样品暴露于高塑性变形恒定载荷作用下,这是由于增加潜在的网站创建和生成的纳米压痕过程中剪切事件。做一个详细的对比,最大压痕深度(d马克斯)和最后的压痕深度(df在曲线评估。鉴于,如图6 (b),df/d马克斯ZrCuAlNi合金比例是高于其他样本。高df/d马克斯意味着BMG样本明显滞弹的能量存储在它的微观结构。一般来说,非晶合金的蠕变事件包括粘弹性和粘塑性的压力。基于我们的研究结果,Ni-added示例显示了一个伟大的粘弹性响应外部激励(更高df/d马克斯),这是由于结构非均质性加剧;然而,本例经历一个巨大的粘塑性的应变最大负载时,表明它是一个严重的蠕变变形的迹象。另一方面,Nb-added示例显示了一个反向行为ZrCuAlNi BMG相比,这意味着Nb除了提高了抗蠕变性的预防纳米级原子结构的应变局部化。为了评估强度和力学性能的变化,有必要进行统计分析关于融合的硬度和杨氏模量。图7表明样品的硬度和弹性模量之间的关系和位移最大负载(蠕变位移)。结果清楚地公布,倪除了导致硬度和杨氏模量的衰减率,硬度和杨氏模量的平均值ZrCuAlNi比ZrCuAl合金低13%和19%,分别。另一方面,Nb-added样本表现出更高的硬度和杨氏模量的值与基合金。此外,可以看到,杨氏模量和硬度的分布显示了线性趋势统计皮尔逊相关系数的0.892和0.855−−−2.13的负面斜坡和−0.94 nm的GPa−1,分别。属性的相似性的趋势表明,未成年人除了同时影响杨氏模量和硬度;然而,一个人可以看到,弹性模量是合金化过程更加敏感。结果也显示,Ni-added样本数据的分布是零星的相比其他样本。这一结果表明,结构非均质性的增加伴随着纳米区域的多样性与各种当地的机械性能,导致零星的数据分布。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
(一)梁进行和(b)d f/d 马克斯比所有的样品。
(一)
(一)
(b)
(b)
图7
总蠕变位移的函数(a)硬度和杨氏模量(b)。

图8提供了信息之间的相关性突然出现位移和载荷/导数的大小。结果表明,级低的衍生品与小突然出现的事件。此外,发现倪除了导致收缩的数据块,即塑性变形的机制Ni-added样本符合多个小剪切事件的创建和传播的微观结构。另一方面,Nb-added样本表现出最高的零星的数据块,这意味着主要剪切带的形成高度本地化的菌株。换句话说,最高的Ni-added样本的焓松弛包含大量的免费卷的无定形结构。在这种状态下,结构异构系统中更明显,导致纳米区域应力场的增强。随即,大量的剪切形成事件和外部加载时生成应用于材料。另一方面,高强度的导数Nb-added示例表明,通过样品的剪切带可以很容易地传播与其他剪切带之间的互动。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
突然出现位移变化(一)负载的函数导数和(b)负载值。

4所示。结论

这项工作的结果表明小倪和Nb元素可以调整结构特性和纳米机械ZrCuAl BMG的属性。根据结果,发现镍元素是一种很有前途的构成为增加的总负热混合ZrCuAl系统,导致松弛焓和结构非均质性的提高。另一方面,Nb元素显示了强相互作用与锆、加剧地面读数和MRO结构和降低了非晶态合金的结构变化的波动。nanoindentation试验还表明,Nb-added样本位移在最大负载较低,这是一个合适的状态对于蠕变的应用程序,然而,Ni-added样本表现出很强的粘弹性响应,也就是说倪还负责创建和分配更多的原子结构松散的地区。

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。