METAL LAB袁工 2021.10.26
原文發(fā)表時間：2021.01.22
原文發(fā)表期刊：Springer Nature
《通過低溫循環(huán)處理改善商用Vit非晶合金的疲勞性能》內(nèi)容：
2021年1月26日，Springer Nature期刊在線發(fā)表了蘭州理工大學(xué)有色金屬先進加工與循環(huán)國家重點實驗室一篇題目為“Improving the wear performance of a commercial Vit 1 Amorphous alloy by a cryogenic cycling treatment”的學(xué)術(shù)文章(https://doi.org/10.1007/s10853-021-05794-5)。該文通過不同次數(shù)的低溫循環(huán)處理，對一種商用Vit 1非晶合金進行加工。從而研究其相結(jié)構(gòu)、熱性能、力學(xué)性能和磨損性能。盡管低溫循環(huán)處理不會顯著改變相結(jié)構(gòu)，但它促進了熱再生，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性。非均勻結(jié)構(gòu)能促進非晶合金內(nèi)部多個剪切帶的產(chǎn)生，從而引起變形能的損耗，這反而能提高塑性。由于塑化作用，低溫循環(huán)處理顯著改善磨損性能。特別是，30個處理周期（7.55＊10–5mm3/Nm）后的磨損率降低到鑄態(tài)合金（22.75＊10–5mm3/Nm）的三分之一左右。其原因是隨著塑性的增加，Vit 1 BMG的磨損機制由三體磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿w磨粒磨損與氧化磨損的協(xié)同機制。因此，通過低溫循環(huán)處理提高非晶合金的塑性是改善磨損性能的有效措施。
實驗材料與方法：
原文實驗采用一種商用Vit 1 BMG(含有約90vol.%的非晶相)。首先用T型熱電偶將尺寸為4＊4＊8mm3的樣品固定在銅樣座上，用流量計控制蒸發(fā)的液氮(LNT)吹制樣品，使樣品緩慢冷卻。在緩慢冷卻過程中，汽化后的液氮流動可以被熱電偶和流量計協(xié)同控制，冷卻速率可保持在20℃/min，即樣品表面冷卻至﹣160℃左右需要9分鐘。第二步，將樣品和銅樣夾放入LNT中5min，以保證樣品內(nèi)溫度均勻。第三，從LNT中取出樣品和銅樣夾，然后用電吹風(fēng)加熱5分鐘，以確保樣品內(nèi)部和表面溫度均勻穩(wěn)定。我們將其定義為CCT循環(huán)，如圖1所示。分別處理0、10、20、30、40和50個循環(huán)(命名為C0、C10、C20、C30、C40和C50)。用差示掃描量熱法測定樣品的狀態(tài)，升溫速率為20K·min-1。為了確保測量松弛焓、玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶溫度的準(zhǔn)確性，在相同的條件下進行第二次運行來扣除基線。所有樣品均測量3次以確保數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性。并采用X射線衍射對其相結(jié)構(gòu)進行觀察分析。
采用通用試驗機，在初始工程應(yīng)變率為5＊10-4s-1的條件下，對Vit 1 BMG進行了室溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，并對其強度和塑性進行了表征。壓縮試樣尺寸為3.5＊3.5＊7.0mm3。于室溫下施加10 N的載荷在往復(fù)摩擦試驗機上進行球?qū)K模式干滑動摩擦磨損試驗。往復(fù)頻率為5Hz，行程長度為1mm，滑動時間為20min。選擇直徑為6mm、硬度約為56HRA的GCr15鋼球作為參照物。干摩擦磨損試驗前，將BMG試樣拋光至表面粗糙度小于500nm。通過三維(3D)表面輪廓儀生成磨損軌跡的等距視圖來計算BMG試樣的體積損失。采用公式Q=VN-1S-1計算BMG試樣的磨損率Q，V為磨損體積(mm3)，N為施加載荷(N),S為滑動距離(m)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和掃描電鏡、能譜儀(EDS)對磨痕和磨屑的形貌和組成進行了表征。利用x射線光電子能譜可以更好地了解C0和C30樣品的磨損表面結(jié)構(gòu)。
Figure 1The thermal cycling process diagram
結(jié)果：
微觀結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性
圖2顯示含0、10、20、30、40和50次CCT的Vit 1 BMG的XRD圖譜，表明CCTs不會明顯改變相結(jié)構(gòu)。圖3表示0、10、20、30、40和50次CCT的Vit 1 BMG在20 Kmin-1加熱速率下的DSC曲線。XRD和DSC結(jié)果表明，CCT不會顯著改變Vit 1 BMG的非晶態(tài)性質(zhì)及其結(jié)晶行為。實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)循環(huán)次數(shù)的增加，導(dǎo)致Vit 1 BMG的熱穩(wěn)定性惡化。這主要是因為CCT使Vit 1 BMG處于能量較高的亞穩(wěn)狀態(tài)，且在加熱過程中更容易結(jié)晶，以達到能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，盡管CCT不會改變Vit 1 BMG非晶態(tài)的性質(zhì)，但會改變內(nèi)部自由體積密度，即空間結(jié)構(gòu)的不均勻性。
Figure 2 XRD patterns
Figure 3 a DSC curves; b the temperatureinterval of SLR and the structural relaxation enthalpy as a function of the times of CCTs
機械性能
從圖4可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，屈服強度呈現(xiàn)先減小后增大的演化趨勢。圖5和圖6可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剪切帶密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這與塑性應(yīng)變的演化一致（圖4b）。從圖6中的斷口形貌可以看出，所有Vit 1樣品由脈狀、液滴狀和肋狀剪切臺階組成。這意味著在塑性變形期間發(fā)生大量絕熱剪切帶。從圖3,4,5,6，可以發(fā)現(xiàn)剪切帶和剪切階躍密度的演化趨勢與塑性應(yīng)變和結(jié)構(gòu)松弛焓一致，這進一步證實CCTs可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化BMG的塑性。
Figure 4 Vit1 alloy with 0, 10, 20, 30, 40 and 50 times of CCTs: a compressive engineering stress–strain curves; b the average compressive strength and plastic strain as a function of the times of CCTs
Figure 5 The compression lateral surface morphologies of the Vit 1 BMG after CCTs
Figure 6 The fracture surfaces morphologies
摩擦學(xué)性能
圖7可以看到，COF（平均摩擦系數(shù)）基本保持不變，隨著CCT次數(shù)的增加，COF呈現(xiàn)極弱的下降趨勢，相反，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨損率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。為了詳細(xì)研究含CCTs的Vit 1 BMG的磨損機理，對其進行了白光干涉（WLI）成像和相應(yīng)的實驗研究磨損表面圖像如圖8所示。表明無CCTs和有CCTs的Vit 1 BMG的主要磨損機制是典型的三體磨粒磨損。原文實驗形態(tài)學(xué)結(jié)果間接表明C30試樣具有最佳的磨損性能。此外，為了更好地了解磨損性能，對C0（最高磨損率為22.75＊10–5 mm3N-1m-1）和C30（最低磨損性能為7.55＊10–5mm3N-1m-1）樣品的磨損表面進行XPS分析，如圖9所示?？梢钥闯?，XPS光譜分析結(jié)果似乎幾乎相同，它們都含有Zr3d、Ti2p、Cu2p、Ni2p、O1 s、Cr2p和Fe2p光譜，并且每個元素光譜峰對應(yīng)的結(jié)合能基本相同。從以上結(jié)果來看，C0和C30試樣表面的磨損產(chǎn)物似乎基本相同，但窄譜分析結(jié)果存在差異。
Figure 7 The coefficient of friction and wear rate of the Vit 1 BMG with 0, 10, 20, 30, 40 and 50 times of CCTs
Figure 8 The white light interferometry images and the corresponding worn surface of the Vit 1 BMG with 0, 10, 30, 50 times of CCTs: a 0 times, b 10 times, c 20 times, d 30 times, e 40 times and f 50 times
Figure 9 Representative XPS spectra on the worn surface of the C0 and C30 samples
低溫循環(huán)處理與塑化
原文結(jié)果表明，CCT法可以有效地實現(xiàn)非晶合金的再生，即非晶合金的塑化。DSC和壓縮的實驗結(jié)果如圖3和4，證明通過CCT，即使是商用Vit 1非晶合金也經(jīng)歷了再生現(xiàn)象。在CCT過程中，由于瞬間的極端溫度變化（從77 K到室溫，然后從室溫到77 K），Vit 1 BMG內(nèi)的多尺度結(jié)構(gòu)發(fā)生非仿射熱膨脹-收縮從而在多尺度結(jié)構(gòu)之間的界面區(qū)域周圍發(fā)生劇烈的高度空間局部化的原子重排。因此，Vit 1 BMG內(nèi)部的自由體積增加（圖3a），最終實現(xiàn)塑化。
塑化與磨損性能
由于非晶態(tài)合金中的剪切帶是交錯和分叉的，因此會發(fā)生塑性變形，表面上的裂紋會在很短的距離后剝離。由于磨損表面上的剝離現(xiàn)象逐漸減少，磨損表面變得更加均勻，并導(dǎo)致相對較弱的三體磨料磨損（圖8a2、b2、c2、d2）。如圖10a和b所示， Vit 1的磨損產(chǎn)物非晶態(tài)合金主要是金屬氧化物，即在磨損表面形成不連續(xù)的氧化膜。對于圖10c中的Zr3d光譜，這進一步表明C30樣品的磨痕上形成了更多的ZrO2氧化物。磨損機制逐漸由三體磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿w磨粒磨損和氧化磨損的協(xié)同磨損機制。
Figure10 Representative XPS spectra narrow scans on the worn surface of the C0 and C30 samples: a Fe 2p, b O 1 s, c Zr 3d
結(jié)論：
根據(jù)原文確實可以通過提高非晶合金的塑性來有效地提高磨損性能。主要原因是塑性的增加抑制了剪切帶的快速單次膨脹，從而降低了樣品表面因裂紋而大面積剝落的可能性。因此，隨著塑性的增加，Vit1BMG的磨損機制逐漸從三體磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槿w磨粒磨損和氧化磨損的協(xié)同機制。
對該文解讀分析：
在低溫循環(huán)處理后，通過原子重排的再生可能優(yōu)先在晶體、非晶態(tài)界面區(qū)域進行，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)弛豫焓隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在低溫循環(huán)過程中，復(fù)合材料的異質(zhì)微結(jié)
