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1、压力下 Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的弹性行为张 ? 志 ? 陈春玲 ? 王朝龙 ? 余东满( 河南理工大学材料科学与工程学院, 焦作? 454003)( 2006 年 1月 13日收到; 2006 年4 月 12 日收到修改稿)? ? 室温下在等静压最高达 0?5GPa 的条件下, 利用超声回波技术测量了超声波横波和纵波在 Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃中的传播时间来确定横波和纵波速度. 测量时所采用的超声波频率为 10MHz. 利用所测量的数据, 建立了超声波波速、 样品的密度、 弹性模量以及Debye 温度等与所施加的压力之间的相互关系. 并且推导出Murn
2、aghan状态方程. 另外, 基于非晶态与晶态物理性能的相似性, 对此块体非晶的压缩曲线、 弹性常数和 Debye 温度等进行了理论计算, 结果表明 Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的弹性性能与其组成的元素有着密切的关系.关键词: 块体金属玻璃, 弹性性能, 等静压 PACC: 6140D, 6220D1? 引言非晶态固体不具有原子的长程有序结构, 因此 阐明原子之间的相互作用关系或者原子之间的结构形态显得尤为重要. 基于此种考虑, 目前通常把非晶 态固体描述为具有短程有序的原子结构, 而与非晶相关的一些物理、 化学、 机械性能都与这种结构特性有着密切的关系. 块体非晶弹性常数与其
3、机械性能、 玻璃转变温度以及液体的脆性系数之间有着密切的相关性 1? 3, 如拉伸断裂强度 ?t, f和维氏硬度HV与杨氏模量 E 大致成正比关系, 大致有 E?t ,f 50 和E? HV= 20 2; 金属玻璃的玻璃转变温度 Tg和它的杨氏模量之间大致有 Tg!2?5E 关系 2, 另外, 金属玻璃的体弹模量和切变模量的比值 K?G 或者泊松比?, 可以用来衡量非晶液体的脆性系数 m, 具有 m= 29( K? G- 0?41) 或 Tg? E 0?037( K? G- 0?41) !m 关系 3. 这些结果都表明了金属玻璃的宏观力学性能( 如弹性模量和泊松比) 与过冷液体性能( 如玻 璃
4、转变温度和脆性系数) 之间的关联性, 同时也预示着可以把金属玻璃看作是液态金属的冻结 2. 通常非晶材料虽然具有较高的强度同时也具有较高的脆 性, 在断裂失效之前一般只产生弹性变形而无明显的塑性变形, 因此研究高压下非晶的力学性能不但 具有理论价值也对实际应用具有指导意义.高压下研究非晶的弹性性能不但能够提供非晶材料的弹性变形特征, 而且有助于获得金属玻璃的微观结构与性能之间的相互关系以及振动特性等方面的重要信息 4,5. 在近些年来, 已经进行的实验使人们对金属玻璃在压力下的物性有了一定的了 解 6? 10. 如压力对块体非晶的弹性常数的影响, 并建立了块体金属玻璃的状态方程 6? 9, 还
5、可以采用状态方程来分析原子间的相互作用特性以及由压力和 热弛豫引起的相变过程等 10. 然而令人感兴趣的是Zr 基块体金属玻璃的压缩曲线可以近看作为它们组成元素的平均值8, 这似乎预示着块体金属玻璃 的压缩性或者其弹性能与其组成元素之间有着紧密的联系.本文利用超声回波技术测定了Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃在等静压条件下的超声波速度, 从而 得到了此种金属玻璃材料弹性性能. Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃是一种硬磁材料, 并且具有短程有序结构11, 12, 所有的组成元素皆为金属元素等特点, 因此它比较适用于进行理论计算. 根据它的组成元素 的压缩性以及弹性常数,
6、我们在理论上定量计算了此种金属玻璃的压缩曲线和弹性常数. 计算结果与实验所得到的结果符合得很好, 从而为更好的理解 块体金属玻璃的组织和机械性能提供了必要的理论依据.2? 试验方法? ? Nd60Al10Fe20Co10合金锭是利用电弧炉在氩气保护下熔炼纯度为 99?9% 的纯金属Nd, Fe, Al 和 Co,第 55 卷 第 11期 2006 年 11月 1000 ?3290? 2006 ?55(11)?5975 ?05物? 理? 学? 报 ACTA PHYSICA SINICAVol. 55, No. 11, November, 2006 ? 2006 Chin. Phys. Soc.并
7、用纯钛来除去炉中残余的氧. 然后把合金锭利用铜模吸铸方法在氩气保护下吸铸成直径为 5mm、 长度为 80mm 的合金棒. 在合金棒的中间部位取样做 X射线分析( XRD) 确定试样为非晶组织, 试样的成分分布以及均匀性是通过NORAN VANTAGE 能谱仪检测的( EDS) . 热分析是在 Perkin Elmer DSC ?7 差热热分析仪上进行的, 在氩气保护下, 加热速度为 20K? min. 将合金棒切割成长度为 10mm 的圆棒, 两端磨平并抛光用于做超声测量. 采用超声回波技术 13, 在室温和频率为 10MHz 的条件下, 测量试样不同压力下的超声波速度并计算弹性模量和 Poi
8、sson比. 超声波在样品中传播时间的测量精度为 0?5ns, 设备采用 MATEC 6600 型超声系统. 高压是通过活塞式液压设备实现的, 采用绝缘油作为压力传播介质, 压力的大小在试验前已经进行了标定. 在实验过程中, 进行了几次加压?减压循环试验以确定试验的 可重复性, 同时也为了确定在加压过程中, 是否使试样产生了不可恢复的塑性变形. 在加压过程中, 利用Richard Cook 方法校正 圆柱形 样品的 密度和长度 14. 利用Archimendean 方法测量密度, 测量误差在 0?1% 以内.3? 试验结果及讨论? ? 图1 为室温下 Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻
9、璃在升压?降压循环过程中, 压力对超声波横波和纵波波速相对变化量的影响, ?v ( P)? v ( P0) = ( v( P) -v( P0) )?v( P0) , 其中 P0表示常压. 无论在升压还是降压过程中, 在最大压力 0?5GPa 范围内没有发现声速有明显的突变现象, 当实验结束后, 试样的密度在实验误差范围内没有增加, 说明此实验是在材料的 弹性区域内进行的, 没有产生明显的塑性变形. 在加压过程中, 可以观察到纵波 vl和横波速度 vs都随压力的增加而增加, 他们的相对变化量与压力之间存在着近似的线性关系. 纵波 vl和横波速度 vs的最大相对变化量分别为 1?32% 和 0?7
10、5%, 表明纵波对压力的变化要比横波敏感. 此现象与在其他块体金属玻璃体系中的试验结果是相一致的6. 值得指出的是, 在升压过程中, 当压力升到约0?2GPa 时横波 vs曲线上出现了一个拐点, 即它的相对变化量与压力的关系曲线斜率发生了变化, 从1?17 增加到 1?70. 而在随后的加压和减压循环过程中拐点消失. 然而通过对加压以后试样进行 X 射线图1? 压力对 Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的纵波和横波波速的影响衍射分析和透射电子显微镜观察, 并没有观察到结 构明显的变化. 此结果表明, 在 0?2GPa 左右横波 vs曲线上的突变现象可能是由于压力引起的结构弛豫, 类
11、似于 温度的 影响, 能 够引 起非 晶结构 弛豫 15, 16,从卸压曲线来看并无拐点出现也说明这一点. 从图 1 可以清楚地看到, 在降压过程中横波速度出现了弹性迟滞现象, 即降压的波速曲线并没有和加压曲线重合, 同时在降压过程中也没有发现波 速的突然改变即拐点产生, 当完全卸载后滞后现象消除. 而这种降压过程中的弹性迟滞现象可能正是由于压力所引起的结构弛豫所造成的. 对于纵波并没有滞后现象发生, 这种结果也可能预示着横波对 微结构的变化敏感性要比纵波高.利用 Cook 方法14, 在进行压力试验的过程中可以同时计算材料的弹性常数和试样的尺寸, 并对 样品密度进行校正. 块体金属玻璃的弹性
12、常数( 如杨氏模量 E, 剪切模量 G, 体弹模量 K 和 Poisson 比 ?)和 Debye 温度 D可以通过超声波速度和样品的密度计算得到 17, 有E = ! v2 s3v2 l- 4v2 s v2 l- v2 s,( 1)G = ! v2 s,( 2)K = ! v2 l-4 3v2 s,( 3)?=v2 l- 2v2 s 2( v2 l- v2 s).( 4)5976物? ? 理? ? 学? 报55卷? ? 图 2 给出了材料性能 ( Y - Y0)?Y0随压力的变化情况, 其中 Y0和 Y 分别表示常压和加压下材料的弹性模量. 可以看出, 此块体金属玻璃的 K? p ,E? p
13、 和 G? p 皆为正值, 分别为 3?42, 2?31 和 0?79. 表明随着压力的增加, 块体金属玻璃的原子之间的作用力也增大, 也说明金属玻璃中原子的堆垛更加密集18. 同时也可以看到在大约 0?2 GPa 左右, 弹性模量和泊松比与压力变化关系曲线上也有 一个较小的突变现象产生, 此拐点的位置与图 1 中波速测定的结果相对应.图2? Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的弹性常数 Y( Y= E, G, K,?) 的相对变化量与压力之间的相互关系如果把块体金属玻璃材料结构看作是具有单原子点阵的均匀单胞, 那么根据所测得的波速, 它的Debye 温度 D可以由下式来求得:D=h
14、 kB9 4#01? 31 v3 l+2 v3 s- 1? 3 ,( 5)其中, h 和kB分别为Planck 和 Boltzmann 常数, 0为原子的平均体积. 测得Nd60Al10Fe20Co10的 Debye 温度随压力 的变化情况 如图 3 所示, 可 以看到, 在0?5GPa 压力范围内, D近似地随压力的升高而呈线性增加的趋势, 说明压力的升高导致了金属玻璃材料的刚性增强 19.基于材料体弹模量与压力之间的相互关系, 可 根据 Murnaghan 方法建立起此材料等温状态方程 20, 即P =K0 K0V0 V( P)K0- 1 ,( 6)式中 K0和 K0分别为体弹模量和零压时
15、的体弹模图 3? Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的 Debye 温度压力之间的相互关系量. V0为零压时的体积. 从图 2 可以得到 K0和 K0分别为46?5GPa 和3?42GPa. 代入上式可以求出这种材料在弹性变形区内的等温状态方程P = 13. 61V0 V( P)3. 42 - 1 .( 7)? ? 通常金属元素的体积压缩性可以表示为 21?V?V0= - % P + bP2,( 8)这里 a 和b 为已知系数, 压力变化引起的体积压缩量 ?V =V( P) - V0. 根据方程( 8) 以及相关的金属元素 Al,Fe, Co 和 Nd 可查到的实验数据 22, 23
16、, 就可以得到这些元素的状态方程. 利用方程( 7) 可求出Nd60Al10Fe20Co10块体金属玻璃的状态方程, 同时绘于图 4中. 因为具有原子短程有序结构的块体金属玻璃结构可以用原子自由堆垛模型来加以描述, 那么 对于 NdAlFeCo 金属玻璃来说, 由于它的组成元素都为金属, 并且是短程有序结构 11, 12. 而固体的压缩性 通常与固体内部原子结构以及原子间的相互作用能有关 23, 那么 NdAlFeCo 金属玻璃的压缩性可以看作是由其组成元素所产生的压缩性贡献的总和. 因 此, 可以根据组成元素的含量来计算, 即利用方程( 8) 计算块体金属玻璃的体积压缩, 计算结果也示于 图 4中. 从图 4 可以看出, Nd60Al10Fe20Co10实测的压缩曲线介于它的组成元素Nd, Al, Fe 和 Co 的压缩曲线之间, 并且与利用方程( 8) 计算的结果相符合, 表 明此块体金属玻璃的压缩依赖于它的组成元素, 并且表现为各种组成元素贡献
