Berbagai Perilaku Peremajaan Kaca Metalik Berbasis Zr dengan Perlakuan Siklus Kriogenik dengan Temperatur Pengecoran Berbeda

Hasil dan Diskusi

Perilaku Peremajaan Sampel HT

Gambar 1a menunjukkan pola XRD dari As-cast dan DCT30 untuk sampel HT, yang menunjukkan puncak papan fase amorf yang serupa tanpa puncak kristal yang jelas. Kurva DSC dari kedua sampel ditunjukkan pada Gambar. 1b, di mana T _g dan T _x ditunjukkan untuk setiap sampel. Mirip dengan hasil XRD, T _g dan T _x untuk kedua sampel juga sangat dekat, yaitu masing-masing 690 K dan 780 K untuk As-cast dan 688 K dan 781 K untuk DCT30. Hasil ini menunjukkan bahwa fase amorf tidak mengalami perubahan besar selama DCT, seperti kristalisasi. Gambar 1c menunjukkan aliran panas kedua sampel pada anil isotermal pada 740 K (1,07 T _g ), di mana waktu inkubasi kristalisasi (t _x ) dapat diamati. Dengan mengukur titik perpotongan sebelum dan selama kristalisasi, t _x ditemukan masing-masing 12,6 dan 12,5 mnt untuk As-cast dan DCT30. t . yang serupa _x juga menunjukkan bahwa ketahanan kedua sampel terhadap kristalisasi sangat mirip. Selanjutnya, untuk mengevaluasi perilaku peremajaan lebih tepat, entalpi relaksasi (ΔH _santai ) selalu digunakan [14, 15], diberikan sebagai berikut:

a XRD dan b Kurva DSC dari sampel As-cast dan DCT30 yang dilemparkan pada HT, c aliran panas sebagai fungsi waktu selama anil isotermal (740 K), dan (d ) panas spesifik sampel As-cast dan DCT30 yang dilemparkan pada HT

dimana ΔC _p = C _p,s C _p,r , dan C _p,s dan C _p,r masing-masing adalah kalor jenis sampel dan keadaan relaksnya. Dalam penelitian ini, keadaan relaks diperoleh dengan anil pada 725 K (~ 1,05 T _g ) selama 2 mnt diikuti dengan pendinginan 20 K/mnt. Kurva panas spesifik dari kedua sampel dan keadaan santai mereka diplot pada Gambar. 1d. Berdasarkan Persamaan. (1), ΔH _santai untuk As-cast dan DCT30 dihitung masing-masing menjadi ~ 12,6 J/g dan 12,9 J/g. ΔH . yang mirip _santai menunjukkan bahwa tidak terjadi peremajaan untuk sampel yang disiapkan pada suhu pengecoran tinggi (sampel HT).

Gambar 2a, b menunjukkan gambar TEM medan terang masing-masing dari As-cast dan DCT30, yang menunjukkan struktur amorf mirip labirin homogen yang serupa dari kedua sampel tanpa fase kristal. Gambar 2c menunjukkan kurva tegangan-regangan tekan dari kedua sampel As-cast dan DCT30. Tidak ada perilaku plastisisasi yang diamati setelah DCT, kekuatan patah dan regangan plastis untuk kedua sampel masing-masing sekitar 2000 MPa dan 0,3%. Data rinci uji kompresi dirangkum dalam Tabel 1.

a , b Gambar TEM bidang terang dari sampel As-cast dan DCT30 dilemparkan ke HT. c Kurva tegangan-regangan tekan sampel As-cast dan DCT30 yang dicor di HT

Studi kami sebelumnya tentang perilaku peremajaan Zr₅₅ Cu₃₀ Al₁₀ Ni₅ (at.%) BMG pada DCT telah menunjukkan bahwa heterogenitas inti-kulit intrinsik adalah alasan utama peremajaan selama pendinginan dan pemanasan secara siklis. Modulus elastisitas inti dan cangkang yang berbeda menghasilkan tegangan internal pada DCT, yang menyebabkan evolusi wilayah inti dengan volume bebas yang lebih terinduksi [11]. Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa heterogenitas intrinsik fase amorf terkait dengan kemampuan pembentukan kaca (GFA) dari sistem paduan [16, 17]. BMG dengan GFA yang lebih tinggi memiliki struktur mikro yang lebih heterogen dan selanjutnya menyebabkan peremajaan pada DCT. Namun, untuk sampel dalam penelitian ini, Zr₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ (at.%), GFA tidak setinggi Zr₅₅ Cu₃₀ Al₁₀ Ni₅ (at.%) [18, 19], dengan demikian, struktur mikro Zr lebih homogen₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ tidak dapat menghasilkan tekanan internal yang efektif untuk meremajakan sampel pada DCT.

Perilaku Peremajaan Sampel LT

Gambar 3a menunjukkan pola XRD dari As-cast dan DCT30 untuk sampel LT, yang dicor dari suhu casting (LT) yang lebih rendah. Mirip dengan sampel HT, hanya puncak lebar tanpa puncak kristal yang terdeteksi untuk setiap sampel. T _g dan T _x juga sangat dekat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Namun, waktu inkubasi kristalisasi untuk DCT30 lebih lama daripada sampel As-cast (Gbr. 3c), yang berbeda dari sampel HT. Selanjutnya, entalpi relaksasi untuk kedua sampel, yang dihitung berdasarkan data dari Gambar. 3d, menunjukkan nilai DCT30 yang lebih tinggi daripada As-cast. Data rinci sifat termal dirangkum dalam Tabel 1.

a XRD dan b Kurva DSC dari sampel As-cast dan DCT30 dilemparkan pada LT. c Aliran panas sebagai fungsi waktu selama anil isotermal (740 K) dan d panas spesifik dari sampel As-cast dan DCT30 yang dilemparkan pada LT

Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa setelah BMG diremajakan, kepadatan berkurang karena volume bebas yang lebih terinduksi. Kepadatan As-cast dan DCT30 untuk sampel HT dan LT diukur, 6,930 ± 0,004 g/cm ³ (As-cast) dan 6,929 ± 0,004 g/cm ³ (DCT30) untuk sampel HT dan 6,957 ± 0,004 g/cm ³ (As-cast) dan 6,931 ± 0,010 g/cm ³ (DCT30) untuk sampel LT. Volume gratis yang dikurangi (x ) dapat dihitung berdasarkan kepadatan [11, 12]:

dimana v _f adalah volume bebas rata-rata per atom, γ adalah istilah koreksi untuk tumpang tindih volume bebas, v ^* adalah nilai kritis volume bebas untuk difusi atom, ρ adalah densitas sampel, dan ρ _c adalah densitas sampel yang cukup mengkristal, di sini diukur menjadi 6,971 ± 0,002 g/cm ³ (anil pada 923 K selama 3 jam). Jadi, x untuk sampel HT dapat dihitung dengan Persamaan. (2), 1,18% untuk As-cast dan 1,21% untuk DCT30. Nilai yang sama menunjukkan bahwa tidak ada lagi volume bebas yang diinduksi pada DCT dan tidak ada peremajaan yang terjadi untuk sampel HT. Untuk sampel LT, densitasnya mencakup fase amorf dan kluster nano. Namun, perhitungan x harus didasarkan pada kepadatan fase amorf monolitik. Dengan demikian, selanjutnya kami menghitung densitas fase amorf dalam sampel LT dengan menggunakan aturan campuran sebagai berikut [20]:

dimana ρ adalah kepadatan total, dan ρ _a dan ρ _nc adalah kepadatan fase kaca dan nano-cluster, masing-masing. V _a dan V _nc adalah fraksi volume fase kaca dan nano-cluster, masing-masing. Untuk menghitung ρ _a , fraksi volume kluster nano (V _nc ) harus diklarifikasi. Untuk mengevaluasi V _nc , kami mengukur entalpi kristalisasi (ΔH _s ) oleh DSC dari Gambar. 3b (daerah puncak kristalisasi eksotermik). Jadi, V _nc dapat dihitung sebagai [21] berikut:

dimana ΔH _r adalah entalpi kristalisasi dari keadaan amorf penuh dan di sini kami menggunakan data As-cast sampel HT (44,5 J/g). ΔH _s As-cast dan DCT30 masing-masing adalah 41,0 dan 40,7 J/g. Jadi, V _nc dihitung menjadi 7,8% dan 8,5% untuk As-cast dan DCT30, masing-masing. V . yang serupa _nc sebelum dan sesudah DCT menunjukkan bahwa nano-cluster stabil dan tidak mengalami perubahan pada DCT. Selain itu, cluster nano dalam sampel LT mungkin fase B2-CuZr dan karenanya ρ _nc sekitar 7,45 g/cm ³ [22, 23]. Dengan menggunakan data yang ditunjukkan di atas dengan Persamaan. (2) dan (3), x As-cast dan DCT30 dihitung masing-masing 1,30% dan 2,06%, yang menunjukkan bahwa lebih banyak volume bebas telah diinduksi untuk sampel LT pada DCT dan BMG diremajakan. Ini sangat sesuai dengan hasil dari analisis termal.

Hasil ini menunjukkan bahwa tidak seperti sampel HT, sampel LT dapat diremajakan pada DCT. Gambar 4a menunjukkan kurva tegangan-regangan tekan dari sampel As-cast dan DCT30 yang dibuat pada suhu pengecoran rendah (LT). Pertama, tidak seperti sampel HT As-cast, sampel LT As-cast menunjukkan luluh dan plastisitas yang jelas, yang retak pada sekitar 2000 MPa dengan regangan plastik 2,8%. Selanjutnya, sampel DCT menunjukkan sifat mekanik yang lebih baik daripada sampel As-cast, termasuk kekuatan patah yang lebih tinggi (~ 2050 MPa) dan regangan plastik yang lebih besar (~ 4,3%). Keadaan DCT30 yang diremajakan berkontribusi pada peningkatan plastisitas, yang menginduksi lebih banyak volume bebas dan selanjutnya lebih banyak zona transformasi geser (pita geser) diaktifkan atau dibentuk untuk mengakomodasi deformasi keseluruhan [24]. Data rinci uji kompresi dirangkum dalam Tabel 1.

a Kurva tegangan-regangan tekan sampel As-cast dan DCT30 yang dicor di LT. b , c Gambar TEM bidang terang dari sampel As-cast dan DCT30 yang dicetak pada LT

Struktur amorf homogen dalam sampel HT tidak dapat menghasilkan tekanan internal untuk meremajakan diri. Sebaliknya, sampel LT yang memiliki komposisi dan laju pendinginan yang sama (ukuran sampel yang sama) dapat diremajakan pada DCT. Perbedaan ini seharusnya berasal dari struktur mikro. Gambar 4b, c menunjukkan gambar TEM dari As-cast dan DCT30 yang masing-masing dicetak pada suhu rendah. Tampaknya, cluster berukuran nano yang sangat halus dapat diamati untuk kedua sampel, yang berbeda dari struktur sampel HT yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b.

Gambar 5 menunjukkan ilustrasi skema perilaku peremajaan untuk sampel HT dan LT. Sampel HT memiliki fase amorf yang cukup homogen, sehingga tidak ada tegangan internal yang dihasilkan pada DCT dan oleh karena itu tidak terjadi peremajaan untuk sampel HT. Sebaliknya, heterogenitas berukuran nano dalam sampel LT akan membantu menghasilkan tekanan internal pada DCT karena sifat intrinsik yang berbeda antara dua fase. Akhirnya, sampel LT dapat diremajakan. Stres internal (σ _α ) dapat dihitung sebagai [25] berikut:

Ilustrasi skema perilaku peremajaan untuk sampel HT dan LT. Struktur homogen sampel HT tidak dapat menghasilkan tegangan internal pada DCT, sedangkan heterogenitas dalam sampel LT membantu menghasilkan tegangan internal pada antarmuka. Oleh karena itu, perilaku peremajaan hanya dapat diamati pada sampel LT

dimana Δα adalah perbedaan koefisien ekspansi termal antara fase amorf dan kristal, ΔT adalah perubahan suhu, E _c dan E _a adalah modulus elastisitas untuk fase kristal dan amorf, dan ν _c dan ν _a adalah rasio Poisson untuk fase kristal dan amorf, masing-masing. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa nano-cluster mungkin fase B2-CuZr [22]. Koefisien ekspansi termal untuk fase amorf dan kristal telah dilaporkan ~ 1,3 × 10 ⁻⁵ K ⁻¹ dan 1,14 × 10 ⁻⁵ K ⁻¹ , masing-masing [26], E _c dan E _a telah dilaporkan masing-masing ~ 77 dan 123 GPa [27], dan ν _c dan ν _a telah dilaporkan masing-masing ~ 0.385 dan 0.383 [28, 29]. ΔT adalah ~ 180 K (293 K hingga 113 K). Jadi, dengan menggunakan Persamaan. (5), σ _α dihitung menjadi ~ 34 MPa, yang menyebabkan penataan ulang atom lokal dan juga membantu meremajakan fase amorf.

Karena heterogenitas intrinsik BMGS dapat mempengaruhi perilaku peremajaan BMG setelah mengikuti perlakuan termal, alasan mengapa suhu pengecoran yang berbeda dapat menyesuaikan struktur mikro harus diklarifikasi. Zhu dkk. juga telah menemukan bahwa suhu pengecoran dapat menyesuaikan struktur dari keadaan amorf penuh (pada suhu pengecoran tinggi) ke struktur komposit (pada suhu pengecoran rendah) [30]. Ketika cairan logam dipadamkan dari suhu tinggi, elemen dalam cairan dapat sepenuhnya tercampur dan membuat cairan lebih homogen. Dengan demikian, fase amorf sepenuhnya dapat diperoleh. Namun, jika suhu pengecoran rendah, pemisahan elemen dapat terjadi di area yang sangat lokal di antara cairan, yang tertahan selama pemadatan. Pemisahan ini dianggap sebagai inti untuk kluster nano dalam sampel LT. Selanjutnya, jika suhu pengecoran sangat rendah, kami tidak dapat menghasilkan sampel amorf bahkan dengan laju pendinginan yang tinggi. Oleh karena itu, memvariasikan suhu pengecoran dapat menyebabkan heterogenitas berukuran nano dalam matriks amorf, yang menghasilkan tekanan internal dan peremajaan selama DCT.