Penggelaran Kriogenik Mewujudkan Logam Amorf Bulk Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀: Peran Suhu Pencetakan pada Mikrostruktur dan Properti

Abstrak

Studi ini menyelidiki bagaimana perlakuan penggelaran kriogenik (CCT) mewujudkan logam amorf bulk (BMG) Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀. Saat dicetak pada suhu tinggi, aloi membentuk matriks amorf homogen yang tidak menghasilkan stres internal selama CCT, mencegah mewujudkan. Sebaliknya, pencetakan pada suhu rendah memperkenalkan heterogenitas skala nano yang menginduksi stres internal selama siklus termal, yang mengarah pada peningkatan volume bebas dan plastisitas yang ditingkatkan. Temuan ini menunjukkan bahwa parameter sintesis dapat disesuaikan untuk mengontrol heterogenitas mikrostruktur dan, oleh karena itu, respons mewujudkan dari logam amorf.

Latar Belakang

Logam amorf bulk (BMG) dihargai karena properti mekanis yang luar biasa—kekuatan break tinggi dan batas elastis yang besar—berkat mikrostruktur yang berurutan panjang terganggu. Pengukukan cepat sangat penting untuk menekan kristalisasi selama pembekuan, menghasilkan keadaan non-ekekual dengan energi konfigurasi yang lebih tinggi daripada sejenis kristal. Saat dianil, BMG cenderung relaks menuju keadaan energi yang lebih rendah, yang sering mengakibatkan kerapuhan. Namun, BMG juga dapat didorong ke keadaan energi yang lebih tinggi melalui teknik mewujudkan seperti deformasi plastik berat atau pengkalian pemulihan.

Baru-baru ini, perlakuan siklus kriogenik dalam (DCT) telah muncul sebagai metode baru untuk mewujudkan BMG. Dengan secara siklus pendingin dan memanaskan antara suhu ruangan dan suhu kriogenik (~77 K), stres internal muncul dalam struktur amorf heterogen, yang mendorong pengaturan ulang atom yang meningkatkan volume bebas. Dalam karya ini, kami meneliti respons DCT dari BMG Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ (at.%) yang diproduksi pada dua suhu pencetakan yang berbeda, mengevaluasi mikrostruktur, perilaku termal, dan performa mekanis yang dihasilkan.

Metode

Persiapan Sampel

Cu, Zr, dan Al murni tinggi (≥99,9 persen) dilelehkan dengan arc dalam atmosfer Ar yang difilter Ti untuk membentuk aloi induk. Aloi dicetak dalam cetakan tembaga untuk menghasilkan sampel batang berdiameter 2 mm. Dua kondisi pencetakan digunakan: kondisi suhu tinggi (HT) pada 9 A dan kondisi suhu rendah (LT) pada 7 A. DCT dilakukan menggunakan instrumen khusus yang memutar sampel antara 293 K dan 113 K selama 30 siklus (DCT30).

Karakterisasi

Identifikasi fase dilakukan dengan difraksi sinar X (XRD, Cu Kα). Mikrostruktur diperiksa dengan mikroskopi elektron transmisi (TEM, JEOL JEM-2100F, 200 kV). Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC, laju pemanasan 20 K min⁻¹) menyediakan suhu transisi kaca (T_g) dan kristalisasi (T_x), serta enthalpi relaksasi (ΔH_relax). Densitas diukur dengan piknometri gas Ar. Uji kompresi (laju regangan 5 × 10⁻⁴ s⁻¹) menilai properti mekanis. Semua pengukuran diulang pada setidaknya empat spesimen untuk memastikan reproduktivitas.

Hasil dan Pembahasan

Sampel HT

Gambar 1a menunjukkan pola XRD untuk sampel HT As-cast dan DCT30, keduanya hanya menampilkan halus amorf lebar—tidak ada puncak kristal yang diamati. Termogram DSC (Gambar 1b) mengungkapkan T_g 690 K dan T_x 780 K untuk As-cast, dan 688 K / 781 K untuk DCT30, yang menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan setelah CCT. Pengkalian isothermal pada 740 K (1,07 T_g) menghasilkan waktu inkubasi kristalisasi (t_x ≈ 12,5 menit) yang identik untuk kedua keadaan, yang lebih mengonfirmasi tidak adanya mewujudkan.

Enthalpi relaksasi dihitung dari selisih kalor spesifik (ΔC_p) menggunakan

ΔHrelax = ∫RTTΔCp dT

menghasilkan ΔH_relax ≈ 12,6 J g⁻¹ untuk As-cast dan 12,9 J g⁻¹ untuk DCT30—sesungguhnya identik, mengukir kurangnya mewujudkan. Gambar TEM (Gambar 2a,b) lebih mengonfirmasi struktur amorf homogen. Uji kompresi (Gambar 2c) menunjukkan kekuatan break ~2000 MPa dan regangan plastis 0,3 persen untuk kedua sampel, tanpa perbaikan setelah CCT.

Sampel LT

Sampel LT menampilkan halus amorf lebar yang serupa dalam XRD (Gambar 3a). Namun, kurva DSC (Gambar 3b) mengungkapkan waktu inkubasi kristalisasi yang lebih lama untuk DCT30 dibandingkan As-cast, dan enthalpi relaksasi (ΔH_relax) yang lebih tinggi, yang mengindikasikan mewujudkan yang berhasil. Pengukuran densitas (Tabel 1) menunjukkan penurunan yang signifikan dari 6,957 g cm⁻³ (As-cast) menjadi 6,931 g cm⁻³ (DCT30). Menggunakan hubungan volume bebas

x = [2(ρc − ρ)]/ρ

fraksi volume bebas meningkat dari 1,30 persen (As-cast) menjadi 2,06 persen (DCT30). Gambar TEM (Gambar 4b,c) mengungkapkan kluster skala nano yang tersemat dalam matriks amorf, kemungkinan fasa B2-CuZr, yang bertanggung jawab untuk menghasilkan stres internal selama CCT. Uji kompresi (Gambar 4a) menunjukkan peningkatan yang besar dalam regangan plastis—dari 2,8 persen menjadi 4,3 persen—dan kenaikan modest dalam kekuatan break (~2050 MPa) setelah CCT, mengonfirmasi manfaat mekanis dari mewujudkan.

Mekanisme Mewujudkan

Keberadaan heterogenitas skala nano dalam sampel LT memperkenalkan stres internal selama siklus termal, yang dijelaskan oleh

σα = Δα ΔT [2EcEa]/[(1+νa)Ec + 2(1 − 2νc)Ea]

Menggunakan nilai literatur (Δα ≈ 1,3 × 10⁻⁵ K⁻¹, ΔT ≈ 180 K, E_c ≈ 77 GPa, E_a ≈ 123 GPa, ν_c ≈ 0,385, ν_a ≈ 0,383) menghasilkan σ_α ≈ 34 MPa, cukup untuk menggerakkan pengaturan ulang atom lokal dan meningkatkan volume bebas. Sebaliknya, struktur HT yang homogen tidak dapat menghasilkan stres seperti itu, mencegah mewujudkan.

Kesimpulan

Pencetakan suhu tinggi Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ menghasilkan matriks amorf sepenuhnya homogen yang tidak merespons penggelaran kriogenik. Pencetakan suhu rendah memperkenalkan heterogenitas skala nano yang, setelah DCT, menghasilkan stres internal yang mengarah pada peningkatan volume bebas, plastisitas yang ditingkatkan, dan mewujudkan secara keseluruhan. Temuan ini menawarkan jalur yang sederhana untuk menyesuaikan mikrostruktur BMG—dan oleh karena itu perilaku termal dan mekanisnya—dengan menyesuaikan suhu pencetakan.

Singkatan

BMG

Logam Amorf Bulk

DCT

Perlakuan Siklus Kriogenik Dalam

DCT30

Perlakuan termal dengan 30 siklus

DSC

Kalorimetri Pemindaian Diferensial

GFA

Kemampuan Pembentukan Kaca

HT

Suhu Pencetakan Tinggi

LT

Suhu Pencetakan Rendah

TEM

Mikroskopi Elektron Transmisi

XRD

Difraksi Sinar X