论文标题：Fatigue Behavior of Zr₅₈Cu_15.46Ni_12.74Al_10.34Nb_2.76Y_0.5 Bulk Metallic Glass Fabricated by Industrial-Grade Zirconium Raw Material (工业锆原料制备的Zr₅₈Cu_15.46Ni_12.74Al_10.34Nb_2.76Y_0.5大块金属玻璃的疲劳行为)

期刊：Metals

作者：Shichao Zhou, Tao Zhang, Lugee Li, Jiedan Yang, Min Zhang, Chengyong Wang and Yong Zhang

发表时间：21 January 2021

DOI：10.3390/met11020187

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作者简介

张勇，北京科技大学教授/博导，发现了微量稀土元素能够提高非晶合金的玻璃形成能力，已被学术界和工业界广泛应用。提出了应用溶体熵和混合焓比值和原子尺寸方差参量预测固溶体和非晶相的形成，合成了高强高韧的体心立方结构特种高熵合金；开发出了高强高熵合金纤维、高熵合金光谱选择性吸收薄膜等，拓宽了高熵合金的研究领域；参与并出版了专著《非晶与高熵合金》、《先进高熵合金技术》、High-entropy Materials, A Brief Intruduction等。参与荣获国家自然科学二等奖一项、教育部自然科学一等奖一项、教育部自然科学二等奖一项、山西省自然科学一等奖一项、山西省自然科学二等奖一项，兼任中国材料研究学会理事、核材料学会理事等。多次参与组办高熵合金与锯齿形为会议并担任分会主席，兼任广东省科技特派员、中北大学客座教授、入选青海省千人计划人才、教育部新世纪优秀人才计划。主编期刊专辑Serration and Noise Behaviors in Advanced materials、Nano Structured High-entropy Alloys、New Advances in High-entropy Alloys、BCC Structured High-entropy Alloys等。

文章概述

对于金属材料来说，疲劳性能是关键的指标，多数金属材料的失效都与疲劳性能有关。因此，大块非晶疲劳行为的研究尤为重要。限制大块非晶广泛应用的另一个主要原因就是原材料的成本。以往研究认为，杂质元素会降低非晶合金的玻璃形成能力，因而学术界、工业界多采用高纯原料、高真空等苛刻工艺条件制备，大大增加了成本。但张勇教授团队发现，在非晶中添加微量稀土元素可以有效提高非晶形成能力，扩大了非晶合金的工艺窗口，提高了成品率。因此，这使采用工业级低纯原材料制备大块非晶成为可能。在此背景下，本文对工业级原材料制备的Zr₅₈Cu_15.46Ni_12.74Al_10.34Nb_2.76Y_0.5大块非晶的疲劳行为进行了探究。

实验过程

采用高压压铸法制备工业级块体非晶，疲劳测试采用三点弯曲加载模式，当样品断裂或者至107时终止。根据简单梁理论，加载时的最大拉应力由以下公式计算:

P、b、t 和 S 分别为加载载荷，样品宽度 (^~2 mm)、厚度 (^~2 mm) 和加载跨距 (^~20 mm)。为获得较完整的S-N曲线，试验的最大应力范围为340 MPa-1000 MPa (略低于抗拉强度)，应力系数R不变 (R=σmin/σmax=0.1, σmin和σmax分别为最小应力和最大应力)，加载频率为60 Hz，波形为正弦。

图1为该合金与其他材料疲劳性能对比图，由该图可知，该合金与Zr_62.1Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅Y_0.4 (3点弯曲疲劳) 和Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ (压力疲劳) 的疲劳系数接近，而明显低于Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ (4点弯曲疲劳) 合金。这是由试样形状和氧化物引起的应力集中所致。

图1. 疲劳性能对比图。

图2为该合金不同疲劳寿命的断口图，由该图可知，不同疲劳寿命的样品均具有3个典型的疲劳区域，即疲劳裂纹的起裂区 (图2 (a,d) )、稳定扩展区 (图2 (b,e) ) 和失稳断裂区 (图2 (c,f) )，具有较高疲劳寿命的样品，气稳定扩展区域面积更大。

图2. 疲劳断口图。(a)、(b)、(c) 为高应力、低循环周次断裂的对应断口形貌；(d)、(e)、(f) 为低应力、高循环周次断裂的对应断口形貌。

研究结论

研究结果表明，采用工业级低纯原材料制备的非晶合金的疲劳性能可以与高纯原料制备的非晶合金相媲美。例如，相关学者采用高纯原料制备的Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅非晶疲劳系数为~0.125，与本文 (~0.13) 相当。对断口表征发现，其同样具有3个典型的疲劳区域，即疲劳裂纹的起裂区、稳定扩展区 (疲劳条带) 和失稳断裂区 (脉纹状花样)。

期刊简介

Metals (ISSN 2075-4701) 是MDPI出版的国际型开放获取期刊之一，主题涵盖金属材料和冶金工程领域研究和科技发展研究的各个方面。根据科睿唯安最新发布的《期刊引证报告》，期刊2020年影响因子为2.351。Metals 采取单盲同行评审，一审周期约为13天，文章从接收到发表仅需3.6天。