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《ACTA MATER》王剛等工作：硫對銅鋯合金玻璃形成、相變和力學性能影響
發(fā)布日期：2023-12-14 瀏覽次數：2996
自2004年發(fā)現(xiàn)二元Cu-Zr體系中形成塊狀玻璃以來，該合金體系因其科學和工業(yè)意義而迅速引起了研究界的極大關注。Cu-Zr二元塊狀金屬玻璃(BMG)的發(fā)展相對于普遍認為BMG必須是由三種以上元素組成的多組分體系的觀點。Cu-Zr系統(tǒng)結合了高玻璃化能力（GFA）和簡單的組分，因此是研究與非晶態(tài)固體有關的許多基本科學問題（如GFA、原子結構、弛豫行為和玻璃化轉變）的理想候選對象，特別是通過原子尺度的計算模擬進行研究。在過去的幾十年中，人們對Cu-Zr二元體系的基本特性進行了廣泛的研究。這些研究獲得的知識加深了人們對金屬玻璃性質的理解，并使Cu-Zr系統(tǒng)成為金屬玻璃界最著名的合金系統(tǒng)之一。除了其重要的研究價值外，二元體系作為一種結構材料還具有良好的工業(yè)應用前景，因為它結合了許多理想的特性，即低成本、高強度、獨特的壓縮延展性和無毒性。
上海大學王剛等利用實驗室X射線衍射(XRD)、同步輻射高能XRD(HESXRD)、差示掃描量熱法和單軸壓縮測試，對Cu50Zr50玻璃形成體系中硫添加的影響進行了深入研究。本研究發(fā)現(xiàn)，Cu50Zr50體系的玻璃化能力（GFA）、熱穩(wěn)定性、加熱和冷卻過程中的相變順序以及機械性能對硫濃度高度敏感。適當添加硫不僅能穩(wěn)定 B2-CuZr相，還能提高體系的GFA。這樣就能形成僅含有B2相的BMG復合材料，從而在壓縮載荷下兼具高強度和巨大的塑性應變。新開發(fā)的硫含量為0.5和1.0at.%的BMG復合材料的總應變高達∼10at.%，遠遠超過了之前報道的Cu50Zr50BMG的應變。這些優(yōu)越性能使Cu-Zr-S BMG復合材料成為工業(yè)應用中的理想候選材料。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，過量添加硫會導致合金熔體冷卻時析出Cu10Zr7相，而從玻璃態(tài)加熱時則會析出硫化物相。HESXRD實驗表明，Zr原子和S原子間的優(yōu)先鍵合可能是原子尺度上的決定性結構機制，從而導致加熱和冷卻初級結晶順序的改變。這項工作的發(fā)現(xiàn)進一步加強了硫在BMG合金開發(fā)和性能調整中的重要作用，特別是考慮到硫在相關改性中的低成本、良好可用性和無毒性。相關研究成果以“Influence of sulfur addition on the glass formation, phase transformation and mechanical properties of Cu50Zr50 alloy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。
研究人員發(fā)現(xiàn)，硫的添加會顯著影響Cu50Zr50玻璃成形合金的GFA、相形成順序和壓縮機械性能。少量的硫添加量（S £ 3.0 at.%）可提高GFA和B2-CuZr相的穩(wěn)定性，從而誘導形成唯一含B2相的BMG復合材料。鑄造后的CuZrS0.5和CuZrS1.0BMG復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，在壓縮試驗中總應變超過10%。高強度和明顯的塑性伸長相結合，使得Cu-Zr-S BMG復合材料作為結構材料在工業(yè)應用中大有可為。硫含量為∼3.0at.%時，是硫添加量的臨界值，超過這個臨界值，GFA會急劇下降。S>3.0at.%時GFA的下降應歸因于凝固過程中Cu10Zr7相的形成。通過HESXRD 進行的原子研究表明，在合金化過程中，硫傾向于與Zr而不是與Cu結合，從而在合金中生成Zr-S簇和富含Cu的基體。富銅區(qū)域的形成解釋了為什么過量的硫會導致在冷卻過程中形成低溫平衡相Cu10Zr7。此外，硫還能改變所研究合金體系在加熱時的熱穩(wěn)定性和結晶行為。當硫濃度增加到3.0at.%時，使用原位HESXRD技術發(fā)現(xiàn)硫化物相在加熱過程中優(yōu)先析出。了解了硫在自上而下冷卻和自下而上加熱過程中影響結晶順序的作用后，就可以通過調節(jié)硫含量來定制BMG的微觀結構和性能?？傊@項研究成果進一步證明了硫是一種有效的BMG微合金元素。含硫BMGs或BMG復合材料的開發(fā)可能會加速金屬玻璃的商業(yè)化進程。
上海大學王剛等利用實驗室X射線衍射(XRD)、同步輻射高能XRD(HESXRD)、差示掃描量熱法和單軸壓縮測試，對Cu50Zr50玻璃形成體系中硫添加的影響進行了深入研究。本研究發(fā)現(xiàn)，Cu50Zr50體系的玻璃化能力（GFA）、熱穩(wěn)定性、加熱和冷卻過程中的相變順序以及機械性能對硫濃度高度敏感。適當添加硫不僅能穩(wěn)定 B2-CuZr相，還能提高體系的GFA。這樣就能形成僅含有B2相的BMG復合材料，從而在壓縮載荷下兼具高強度和巨大的塑性應變。新開發(fā)的硫含量為0.5和1.0at.%的BMG復合材料的總應變高達∼10at.%，遠遠超過了之前報道的Cu50Zr50BMG的應變。這些優(yōu)越性能使Cu-Zr-S BMG復合材料成為工業(yè)應用中的理想候選材料。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，過量添加硫會導致合金熔體冷卻時析出Cu10Zr7相，而從玻璃態(tài)加熱時則會析出硫化物相。HESXRD實驗表明，Zr原子和S原子間的優(yōu)先鍵合可能是原子尺度上的決定性結構機制，從而導致加熱和冷卻初級結晶順序的改變。這項工作的發(fā)現(xiàn)進一步加強了硫在BMG合金開發(fā)和性能調整中的重要作用，特別是考慮到硫在相關改性中的低成本、良好可用性和無毒性。相關研究成果以“Influence of sulfur addition on the glass formation, phase transformation and mechanical properties of Cu50Zr50 alloy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。
研究人員發(fā)現(xiàn)，硫的添加會顯著影響Cu50Zr50玻璃成形合金的GFA、相形成順序和壓縮機械性能。少量的硫添加量（S £ 3.0 at.%）可提高GFA和B2-CuZr相的穩(wěn)定性，從而誘導形成唯一含B2相的BMG復合材料。鑄造后的CuZrS0.5和CuZrS1.0BMG復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，在壓縮試驗中總應變超過10%。高強度和明顯的塑性伸長相結合，使得Cu-Zr-S BMG復合材料作為結構材料在工業(yè)應用中大有可為。硫含量為∼3.0at.%時，是硫添加量的臨界值，超過這個臨界值，GFA會急劇下降。S>3.0at.%時GFA的下降應歸因于凝固過程中Cu10Zr7相的形成。通過HESXRD 進行的原子研究表明，在合金化過程中，硫傾向于與Zr而不是與Cu結合，從而在合金中生成Zr-S簇和富含Cu的基體。富銅區(qū)域的形成解釋了為什么過量的硫會導致在冷卻過程中形成低溫平衡相Cu10Zr7。此外，硫還能改變所研究合金體系在加熱時的熱穩(wěn)定性和結晶行為。當硫濃度增加到3.0at.%時，使用原位HESXRD技術發(fā)現(xiàn)硫化物相在加熱過程中優(yōu)先析出。了解了硫在自上而下冷卻和自下而上加熱過程中影響結晶順序的作用后，就可以通過調節(jié)硫含量來定制BMG的微觀結構和性能?？傊@項研究成果進一步證明了硫是一種有效的BMG微合金元素。含硫BMGs或BMG復合材料的開發(fā)可能會加速金屬玻璃的商業(yè)化進程。
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