《ACTA MATER》王刚等工作：硫对铜锆合金玻璃形成、相变和力学性能影响

发布日期：2023-12-14 浏览次数：2772

自2004年发现二元Cu-Zr体系中形成块状玻璃以来，该合金体系因其科学和工业意义而迅速引起了研究界的极大关注。Cu-Zr二元块状金属玻璃(BMG)的发展相对于普遍认为BMG必须是由三种以上元素组成的多组分体系的观点。Cu-Zr系统结合了高玻璃化能力（GFA）和简单的组分，因此是研究与非晶态固体有关的许多基本科学问题（如GFA、原子结构、弛豫行为和玻璃化转变）的理想候选对象，特别是通过原子尺度的计算模拟进行研究。在过去的几十年中，人们对Cu-Zr二元体系的基本特性进行了广泛的研究。这些研究获得的知识加深了人们对金属玻璃性质的理解，并使Cu-Zr系统成为金属玻璃界最著名的合金系统之一。除了其重要的研究价值外，二元体系作为一种结构材料还具有良好的工业应用前景，因为它结合了许多理想的特性，即低成本、高强度、独特的压缩延展性和无毒性。

上海大学王刚等利用实验室X射线衍射(XRD)、同步辐射高能XRD(HESXRD)、差示扫描量热法和单轴压缩测试，对Cu50Zr50玻璃形成体系中硫添加的影响进行了深入研究。本研究发现，Cu50Zr50体系的玻璃化能力（GFA）、热稳定性、加热和冷却过程中的相变顺序以及机械性能对硫浓度高度敏感。适当添加硫不仅能稳定 B2-CuZr相，还能提高体系的GFA。这样就能形成仅含有B2相的BMG复合材料，从而在压缩载荷下兼具高强度和巨大的塑性应变。新开发的硫含量为0.5和1.0at.%的BMG复合材料的总应变高达∼10at.%，远远超过了之前报道的Cu50Zr50BMG的应变。这些优越性能使Cu-Zr-S BMG复合材料成为工业应用中的理想候选材料。此外，研究还发现，过量添加硫会导致合金熔体冷却时析出Cu10Zr7相，而从玻璃态加热时则会析出硫化物相。HESXRD实验表明，Zr原子和S原子间的优先键合可能是原子尺度上的决定性结构机制，从而导致加热和冷却初级结晶顺序的改变。这项工作的发现进一步加强了硫在BMG合金开发和性能调整中的重要作用，特别是考虑到硫在相关改性中的低成本、良好可用性和无毒性。相关研究成果以“Influence of sulfur addition on the glass formation, phase transformation and mechanical properties of Cu50Zr50 alloy”为题发表在Acta Materialia上。

研究人员发现，硫的添加会显著影响Cu50Zr50玻璃成形合金的GFA、相形成顺序和压缩机械性能。少量的硫添加量（S £ 3.0 at.%）可提高GFA和B2-CuZr相的稳定性，从而诱导形成唯一含B2相的BMG复合材料。铸造后的CuZrS0.5和CuZrS1.0BMG复合材料表现出优异的塑性，在压缩试验中总应变超过10%。高强度和明显的塑性伸长相结合，使得Cu-Zr-S BMG复合材料作为结构材料在工业应用中大有可为。硫含量为∼3.0at.%时，是硫添加量的临界值，超过这个临界值，GFA会急剧下降。S>3.0at.%时GFA的下降应归因于凝固过程中Cu10Zr7相的形成。通过HESXRD 进行的原子研究表明，在合金化过程中，硫倾向于与Zr而不是与Cu结合，从而在合金中生成Zr-S簇和富含Cu的基体。富铜区域的形成解释了为什么过量的硫会导致在冷却过程中形成低温平衡相Cu10Zr7。此外，硫还能改变所研究合金体系在加热时的热稳定性和结晶行为。当硫浓度增加到3.0at.%时，使用原位HESXRD技术发现硫化物相在加热过程中优先析出。了解了硫在自上而下冷却和自下而上加热过程中影响结晶顺序的作用后，就可以通过调节硫含量来定制BMG的微观结构和性能。总之，这项研究成果进一步证明了硫是一种有效的BMG微合金元素。含硫BMGs或BMG复合材料的开发可能会加速金属玻璃的商业化进程。

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