本发明专利技术涉及一种具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料，是通过合金成分控制和冷却速度调节，在金属玻璃中生成在变形过程中能够发生相变的晶相，通过变形产生相变而制得。所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料以普通纯金属元素为主要成分，按照合金成分表达式所表达的原子百分比配料，而后经过熔化、吸铸而得到块体金属玻璃复合材料。该块体金属玻璃复合材料所包含晶体的体积百分数为１０％到６０％。本发明专利技术的块体金属玻璃复合材料在变形过程中能发生相变，具有很高的强度和压缩塑性；尤其是具有很大的拉伸塑性和加工硬化能力，能够满足实际工程应用的需求，因而具有十分广阔的工程应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非晶态合金领域，具体地说是通过合适的成分设计和冷却速度调节得到具有大拉伸塑性和优良加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料。
技术介绍
与常规晶体金属材料相比，金属玻璃材料的原子排列没有周期性，呈现长程无序 的特点，因而变形不是以位错的模式进行，而是以局域的剪切带模式进行；这种变形特点在 使金属玻璃具有高的硬度、强度，大的弹性模量的同时，也造成了其最大的缺点室温脆性 和应变软化，严重制约着其作为工程材料的应用。经过研究人员多年的努力，逐步开发出了 一些具有一定室温压縮塑性的金属玻璃体系，但是单一非晶相的金属玻璃材料在拉伸变形 时依然呈现出几乎为零的塑性变形。 从2008年开始，以美国加州理工学院W. L. Johnson教授研究组为首几个研究组采 用成分调控和半固态处理的方法，通过在金属玻璃的基体中内生形成晶化相，在锆_钛_基 的金属玻璃中开发出了几种具有拉伸塑性的块体金属玻璃复合材料体系，这些内生枝晶的 块体金属玻璃复合材料能够具有大于10 %的拉伸塑性，并可具有较大的抗疲劳性能，但其 拉伸屈服后依然呈现出应变软化的特点，亦即应力随着应变的增大而变小。应变软化的特 点使得金属玻璃复合材料在屈服后会发生迅速的断裂，而没有后续的承载能力，因而该类 的金属玻璃复合材料依然无法获得实际的工程应用。研究表明，这类枝晶强化的块体金属 玻璃复合材料的变形机理为通过在晶体_非晶界面上的位错塞积的模式，实验证明，这种 通过位错塞积模式的变形方式不足以产生金属玻璃复合材料的拉伸加工硬化行为。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过在块体金属玻璃复合材料中原位生成能够在应力作用下 发生相变的晶态相，并通过变形过程中发生的孪晶相变来获得较大的拉伸塑性和加工硬化 能力，解决金属玻璃材料应变软化问题。因此，本专利技术提供了一类能在不同冷却速度形成， 且具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料。 本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的 —种具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料，是通过合金成分控 制和冷却速度调节，在金属玻璃中生成在变形过程中能够发生相变的晶相，通过变形产生 相变而获得具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料。 所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的合金成分的表达 式为ZraCUbAl。Md(原子摩尔比)，其中M为Co、Ni、Fe、Ti、Zn、Ga、Sn、Mg中的至少一种，其 中0《a《70，0《b《70，0《c《10，0《d《5，且a+b+c+d = 100。 所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的合金成分的表达 式为:ZraCubAl。Ne(原子摩尔比)，其中N为V、Cr、Nb、Mo、Ag、Au、Pd、Pt、Ta、W、Hf、Be、Pb中 的至少一种，其中其中0《a《70，0《b《70，0《c《10，0《e《3，且a+b+c+e = 100。 所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的合金成分的表 达式为ZraCiibAl。Tf(原子摩尔比)，其中T为稀土元素中的至少一种，其中0《a《70， 0《b《70，0《c《10，0《f《2，且a+b+c+f = 100。 所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的合金成分的表达式为ZraCubAlcMdNeTf (原子摩尔比)，其中M取自Co、 Ni、 Fe、 Ti、 Zn、 Ga、 Sn、 Mg， N取自V、Cr、Nb、Mo、Ag、Au、Pd、Pt、Ta、W、Hf、Be、Pb，T取自稀土元素，其中0《a《70，0《b《70，0《c《10，0《d《5，0《e《3，0《f《2，且a+b+c+d+e+f = 100。 所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料中，a的取值为a =40-60。 所述的具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料中，b的取值为b =40-60。 所述的具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料中，c的取值为c =2-8。 本专利技术中具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的晶体含量体 积分数为10% -60%，所含晶体在变形过程中发生的相变，所述金属玻璃复合材料的大塑 性变形和加工硬化能力来自于非晶基体和所含晶体的协同变形。其具体性能对比实施列 表。 本专利技术中具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料的制备方法包 括以下步骤 1)配料按照上述成分方案采用市售纯度大于99. 9%的纯金属元素配料。2)铸锭在钛吸氧的氩气氛的电弧炉中，将步骤1)中的各组分配料熔炼混合均匀，之后在炉内冷却得到所需要的母合金铸锭。 3)吸铸使用惰性气体保护的金属型铸造方法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新 熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷金属模中，得到所述的具有拉伸 塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料。 孪晶变形的方式能够得到比位错变形方式更大的加工硬化能力，因而在金属玻璃 材料中，引入孪晶变形模式会成为解决金属玻璃材料应变软化问题的一个有效方式。本发 明通过合理的成分调节和冷速控制，生成能够在形变过程中发生相变的块体金属玻璃复合 材料。本专利技术为金属玻璃的强韧化改善以及拉伸塑性和加工硬化能力的获得提供了一种新思路，并且由于本专利技术所采用的主要原料是常规的金属原料，且性能能够满足实际工程应 用的需求，因而具有十分广阔的工程应用前景。 本专利技术的优点在于 1、本专利技术所提供的一系列块体金属玻璃复合材料具有大的形成成分范围，宽泛的 制备条件。 2、可以通过对合金成分和吸铸直径两方面的调整，来获得不同晶体分数复合材 料，因而能够调控获得不同的力学性能。 3、本专利技术提供的块体金属玻璃复合材料的主要元素为普通纯金属原料，价格便 宜，且具有制备方便，工艺简单，使用安全等优点。 4、本专利技术所提供的锆基块体金属玻璃复合材料无论在压縮还是拉伸变形过程中4都具有较大的塑性变形能力，其压縮塑性变形能达到30%以上，拉伸塑性能够达到10%以 上。 5、与常规块体金属玻璃及其复合材料相比，本专利技术所提供的锆基块体金属复合材 料最大的特点是具有很强的加工硬化能力，不仅表现在压縮过程中的加工硬化，而且在拉 伸变形中也具有很强的加工硬化能力。附图说明 图1是Zi^Ci^Ah合金不同吸铸直径的X射线衍射图，横坐标为2 e角度；纵坐标 为衍射强度(任意单位)。 图2是(Zr。.5Cu。.5) 100—XA1X合金系中x = 2， 3， 4， 5，吸铸直径同为3mm时，不同Al含量合金的x射线衍射图，横坐标为2 e角度；纵坐标为衍射强度(任意单位)。 图3是(Zr。. 5Cu。. 5) 1Q。—XA1X合金系在不同的Al含量和吸铸直径下的相组成选择图。 图4是Zr48Cu48Al4合金吸铸不同直径试样时的压縮应力_应变曲线。 图5是Zr48Cu48Al4中掺杂不同含量的Fe元素后吸铸3mm试棒的X射线衍射图，横 坐标为2 e角度；纵坐标为衍射强度(任意单位)。 图6是Zr48Cu48Al4中掺杂不同含量的Fe元素后吸铸3mm试棒的压縮应力-应变 曲线。 图7是铜模吸铸直径为3mm的Zr48Cu48Al4、Zr48Cu47.5Al4Co。. 5合金以及直径为5mm本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料，其特征在于，所述具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料是通过合金成分控制和冷却速度调节，在金属玻璃中生成在变形过程中能够发生相变的晶相，通过变形产生相变而获得具有拉伸塑性和加工硬化能力的块体金属玻璃复合材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴渊，吕昭平，陈国良，惠希东，张勇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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