تاثیر فرایند تبلور بر خواص ساختاری و مکانیکی فلز شیشه‌ای حجیم Zr65Cu15Ti13Ni7

طبیبیان, حسین‌علی; نصر اصفهانی, علیرضا; طاووسی, مجید

doi:10.47176/jame.45.3.1178

تاثیر فرایند تبلور بر خواص ساختاری و مکانیکی فلز شیشه‌ای حجیم Zr₆₅Cu₁₅Ti₁₃Ni₇

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

حسین‌علی طبیبیان

علیرضا نصر اصفهانی

مجید طاووسی

مجتمع دانشگاهی علم مواد و مواد پیشرفته، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

10.47176/jame.45.3.1178

چکیده

مقدمه و اهداف: در پژوهش حاضر، به بررسی دقیق تغییرات ساختاری و فازی فلز شیشه‌ای حجیم برپایه زیرکنیم در حین عملیات حرارتی و تاثیر آن بر خواص مکانیکی پرداخته شده است.
مواد و روش‌ها: در این رابطه، قطعات حجیم از فلز شیشه‌ای Zr₆₅Cu₁₅Ti₁₃Ni₇ با ابعاد 2×30×30 میلی‌متر مکعب با استفاده از فرایند ذوب قوسی و ریخته‌گری تزریقی در قالب مسی آب‌گرد تهیه شد و پس از انجام عملیات حرارتی در محدوده دمای 250 الی 550 درجه سانتی‌گراد به مدت دو ساعت، مورد ارزیابی‌های ساختاری و فازی قرار گرفت. بررسی ساختارهای حاصل توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز حرارتی افتراقی و دستگاه پراش‌سنج پرتو ایکس و بررسی رفتار مکانیکی با انجام تست کشش با استفاده از دستگاه تست اینسترون دنبال شد.
یافته‌‌ها: نتایج حاصل نشان داد که انجام عملیات حرارتی در دمای کمتر از دمای انتقال به شیشه، می‌تواند در بهبود خواص مکانیکی از طریق افزایش تعداد نوارهای برشی موثر باشد. این در حالی است که، انجام عملیات حرارتی در دماهای بالاتر منجر به رسوب ترکیبات بین فلزی CuZr و Cu₁₀Zr₇ می‌شود که به‌شدت بر خواص مکانیکی موثر بوده و منجر به کاهش شدید استحکام کششی و درصد ازدیاد طول می‌شود.
نتیجه‌گیری: دمای بهینه عملیات حرارتی در این تحقیق، 250 درجه سانتی‌گراد تشخیص داده شد که منجر به افزایش استحکام نهایی به 1710 مگاپاسکال و درصد ازدیاد طول به 1/65 درصد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

فلز شیشه‌ای حجیم

تبلور

خواص مکانیکی

نوارهای برشی

موضوعات

شیشه های فلزی توده ای

عنوان مقاله English

The Effect of Crystallization Process on Structural and Mechanical Properties of Zr₆₅Cu₁₅Ti₁₃Ni₇ Bulk Metallic Glass

نویسندگان English

Hossain Ali Tabibian

Ali Reza Nasr Esfahani

Majid Tavoosi

Material and Advanced Material Department, Malek-Ashtar University of Technology, Iran

چکیده English

Introduction and Objectives: In the present study, a detailed study of the structural and phase changes of the Zirconium-based bulk metallic glasses during annealing process and its effect on the mechanical properties has been conducted.
Materials and Methods: In this regard, Zr₆₅Cu₁₅Ti₁₃Ni₇ bulk metallic samples with dimensions of 2×30×30 mm3 were prepared using arc melting followed by injection casting in water-cooled copper mold. The heat treatment process has been done for prepared samples at 250-550 oC for 2 h. The resulting structures were examined using field emission scanning electron microscopy, differential thermal analysis, and X-ray diffractometry, and the mechanical behavior was investigated by performing a tensile test using an Instron testing machine.
Results: The results showed heat treatment process at a temperature lower than the glass transition temperature can be effective in improving mechanical properties by increasing the number of shear bands. However, heat treatment at higher temperatures leads to the precipitation of CuZr and Cu10Zr7 intermetallic compounds, which greatly affect the mechanical properties and lead to a sharp decrease in tensile strength and elongation.
Conclusion: The optimal heat treatment temperature was determined to be 250 °C, which leads to an increase in fracture strength to 1710 MPa and plastic ductility up to 1.65%.

کلیدواژه‌ها English

Bulk metallic glass

Crystallization

Mechanical properties

Shear bands

1. Suryanarayana C, Inoue A. Bulk metallic glasses. CRC press; 2010.

2. Wang WH, Dong C, Shek C. Bulk metallic glasses. Mater Sci Eng R 2004;44:45-89. https://doi.org/10.1016/j.mser.2004.03.001

3. Inoue A, Takeuchi A. Recent development and application products of bulk glassy alloys. Acta Mater. 2011;59:2243-2267. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.11.027

4. Gallino I, Busch R. Physical metallurgy of bulk metallic glass-forming liquids. Springer; 2024.

5. Hasiak M, Sobieszczańska B, Łaszcz A, Biały M, Chęcmanowski J, Zatoński T. Fabrication and comprehensive evaluation of Zr-based bulk metallic glass matrix composites for biomedical applications. Sci China Mater. 2024;67:4087-4100. https://doi.org/10.1007/s40843-024-3059-6

6. Barman S, Banik G, Dey S. Tensile behavior of Cu-Zr-based bulk metallic glass: Atomistic insights into role of Al, Ti, and Ni. J Mech Sci Tech. 2025;39: 4495-4501. https://doi.org/10.1007/s12206-025-0721-4

7. Verma J, Prabhu Y, Bhatt J. Enhancing glass-forming ability and thermal stability of Zr-based bulk metallic glasses through rare earth element alloying. Metall Mater Trans A 2025;56:2695-2704. https://doi.org/10.1007/s11661-025-07821-5.

8. Song KK, Pauly S, Zhang Y, Gargarella P, Li R, Barekar NS, et al. Strategy for pinpointing the formation of B2 CuZr in metastable CuZr-based shape memory alloys. Acta Mater. 2011;59:6620-6630. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.07.017

9. Das J, Tang MB, Kim KB, Theissmann R, Baier F, Wang WH, et al. Work-hardenable ductile bulk metallic glass. Phys Rev Lett. 2005;94:205501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.205501

10. Zhang L, Jiang F, Zhang D, He L, Sun J, Fan J, et al. In‐situ precipitated nanocrystal beneficial to enhanced plasticity of Cu‐Zr based bulk metallic glasses. Adv Eng Mater. 2008;10:943-950.

11. Wu Y, Song W, Zhang ZY, Hui X, Ma D, Wang X, et al. Relationship between composite structures and compressive properties in CuZr-based bulk metallic glass system. Chin Sci Bull. 2011;56:3960-3964. https://doi.org/10.1007/s11434-011-4858-4

12. Song KK, Pauly S, Sun BA, Zhang Y, Tan J, Kuhn U, et al. Formation of Cu-Zr-Al-Er bulk metallic glass composites with enhanced deformability. Intermetallics 2012;30:132-138. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.03.016

13. Kuo C, Huang J, Du X, Chen Y, Liu X, Nieh T. Effects of V on phase formation and plasticity improvement in Cu-Zr-Al glassy alloys. Mater Sci Eng A 2013;561:245-251. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.11.011

14. Song KK, Wu DY, Pauly S, Peng CX, Wang L, Eckert J. Thermal stability of B2 CuZr phase, microstructural evolution and martensitic transformation in Cu-Zr-Ti alloys. Intermetallics 2015;67:177-184. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.08.015

15. Inoue A. Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys. Acta Mater. 2000;48: 279-306. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(99)00300-6

16. Deng L, Zhou B, Yang H, Jiang X, Jiang B, Zhang X. Roles of minor rare-earth elements addition in formation and properties of Cu-Zr-Al bulk metallic glasses. J Alloys Compd. 2015;632:429-434. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.036

17. Wang WH. Roles of minor additions in formation and properties of bulk metallic glasses. Prog Mater Sci. 2007;52:540-596. https://doi.org/101016/j.pmatsci.2006.07.003

18. Xie Z, Zhang Y, Yang Y, Chen X, Tao P. Effects of rare-earth elements on the glass forming ability and mechanical properties of Cu₄₆Zr_47-xAl₇M_x (M= Ce, Pr, Tb, and Gd) bulk metallic glasses. Rare Metals 2010;29:444-450. https://doi.org/10.1007/s12598-010-0147-7

19. Fu J, Men H, Pang S, Ma C, Zhang T. Formation and thermal stability of Cu-Zr-Al-Er bulk metallic glasses with high glass-forming ability. J Uni Sci Technol. 2007;14:36-38. https://doi.org/10.1016/S1005-8850(07)20104-2

20. Cao D, Wu Y, Liu X, Wang H, Wang X, Lu Z. Enhancement of glass-forming ability and plasticity via alloying the elements having positive heat of mixing with Cu in Cu₄₈Zr₄₈Al₄bulk metallic glass. J Alloys Compd. 2019;777:382-391. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.02.019