本發(fā)明屬于金屬玻璃技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)構(gòu)完全非晶態(tài)的鐵基塊體金屬玻璃啞鈴狀拉伸試樣的制備方法。

背景技術(shù)：

金屬玻璃是一種新型非晶態(tài)合金材料，其原子排列不具有三維周期性，但在幾個(gè)原子間距范圍內(nèi)仍呈現(xiàn)出一定的有序性，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能，有望成為支撐未來(lái)精密機(jī)械、信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)等高新技術(shù)的關(guān)鍵材料。鐵基金屬玻璃是組元中鐵原子百分比最大的一類金屬玻璃體系，飽和磁化強(qiáng)度在1.0～1.7T、矯頑力可低于1.0A/m、磁導(dǎo)率可達(dá)450000，軟磁性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的硅鋼片，可以直接鑄熔加工或3D打印成各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的磁芯和器件，是節(jié)能變壓器、電感器、無(wú)線電頻率識(shí)別器等理想的磁性功能材料。此外，其耐腐蝕性能比常規(guī)不銹鋼高10000倍，斷裂強(qiáng)度可達(dá)4GPa以上，也是一類極具應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)材料。據(jù)美國(guó)金屬學(xué)會(huì)研究，如果鋼材強(qiáng)度能提高5％，橋梁壽命將增加1％，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)300億美元；鐵基塊體金屬玻璃斷裂強(qiáng)度極高，可達(dá)碳鋼的幾倍至十幾倍，若能將之應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更是難以估量。近年來(lái)，在研究人員的不懈努力下，鐵基塊體金屬玻璃的壓縮塑性不斷提升。然而，壓縮實(shí)驗(yàn)屬于限制型試驗(yàn)，樣品端面與壓頭之間的摩擦力會(huì)影響樣品的壓縮變形量和破壞形式，嚴(yán)重影響鐵基金屬玻璃的變形行為，促使大量剪切帶生成，從而承受施加的應(yīng)變能，導(dǎo)致壓縮性能非鐵基金屬玻璃的本征力學(xué)特性，阻礙了鐵基塊體金屬玻璃塑性變形機(jī)理研究。而拉伸實(shí)驗(yàn)屬于擴(kuò)張型試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器基本不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的壓縮變形量和破壞形式產(chǎn)生影響，所以更能反映材料的本征屬性。因此，尋求具有拉伸塑性的金屬玻璃材料是該領(lǐng)域的“圣杯”，研究鐵基塊體金屬玻璃在拉應(yīng)力場(chǎng)中斷裂損傷機(jī)理也更有利于深入理解和揭示金屬玻璃的變形破壞本質(zhì)，具有重要的科學(xué)意義。然而，目前發(fā)現(xiàn)的超大壓縮塑性鐵基塊體金屬玻璃的臨界尺寸很小，不到2.5mm，常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法至今沒(méi)有制備出結(jié)構(gòu)完全非晶態(tài)的“啞鈴狀”拉伸試樣，目前，現(xiàn)有研究制備出的只能是兩端直接相同的柱狀金屬玻璃棒。本發(fā)明的是一種啞鈴狀的金屬玻璃試樣，兩端粗中間細(xì)，這種樣品在本發(fā)明之前不論是吸鑄法還是噴鑄法都制備不出來(lái)，原因鐵基金屬玻璃的非晶形成能力小，達(dá)不到傳統(tǒng)方法制備啞鈴狀樣品的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法制備出結(jié)構(gòu)完全非晶態(tài)的啞鈴狀拉伸試樣的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一，母合金錠的制備：所述母合金錠的化學(xué)式為Fe_80-x(Co，Ni，Cr，Mo)_x(P,B)_y(C,Si)_z，其中，y+z＝20；制備上述母合金錠的原料為：Fe顆粒，Ni顆粒，F(xiàn)e₃P粉末，Cr粉，Mo粉，B顆粒，Si粉和石墨粉；按照母合金錠的成分，稱取各原料，然后將各原料放入事先洗好并干燥的石英玻璃管中，將石英玻璃管接入抽真空裝置中抽真空；向石英玻璃管內(nèi)充入高純Ar氣，再次抽真空，進(jìn)行洗氣；最后，往石英玻璃管中通入0.85atm的Ar氣做保護(hù)氣體，利用1400～2000℃的火槍加熱石英玻璃管底部，各元素加熱熔化后融合為一個(gè)液態(tài)金屬小球；待全部元素融入小球后，將石英玻璃管淬火在冷水中，得到母合金錠；

步驟二，母合金錠的提純：將B₂O₃和CaO按照3：1的質(zhì)量比混合，作為提純介質(zhì)，將混合好的提純介質(zhì)放置在封好的石英管內(nèi)抽真空10分鐘后，放置在1250℃的高溫爐中加熱，待提純介質(zhì)完全熔化呈透明裝好，打開(kāi)石英管，將步驟一合成的母合金錠放入提純介質(zhì)中，在1250℃下保溫4小時(shí)以上；

步驟三，啞鈴狀石英管的制備：將石英管通過(guò)火槍加熱至熔融狀態(tài)后，在石英管兩端均勻加載，將石英管拉長(zhǎng)指所需長(zhǎng)度，保持石英管兩端相對(duì)位置固定，離開(kāi)火槍高溫區(qū)，使石英管自然冷卻，即制備出啞鈴狀石英管；

步驟四，啞鈴狀金屬玻璃試樣的制備：把步驟三制備的啞鈴狀石英管的一端封口后，將經(jīng)步驟二提純后的母合金錠放置在石英管后接入抽真空裝置，采用與步驟一相同的方法進(jìn)行抽真空并洗氣后，在0.85atm的Ar氣的保護(hù)下，用火槍加熱合金至熔融，然后抽真空10s去除保護(hù)氣，再將熔融的金屬球堵在細(xì)管端口，充入Ar氣，利用氣壓將熔融金屬壓至啞鈴狀細(xì)管中后，立即將石英管放在1250℃的高溫爐中保溫，1分鐘后取出立即放入冷水中淬火，從而得到啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣。

所述步驟一中，石英玻璃管內(nèi)的真空度為30Pa以下。

所述步驟一中，洗氣過(guò)程進(jìn)行4-5次。

步驟二中，母合金錠放入提純介質(zhì)保溫的過(guò)程中，每間隔半小時(shí)從高溫爐取出石英管，看樣品自取出到再輝的過(guò)冷時(shí)間，待過(guò)冷時(shí)間達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定時(shí)，向石英管中充入略小于一個(gè)大氣壓的Ar氣，將石英管淬火，取出樣品，用酒精清洗后干燥，以備后用。

步驟三中，所述石英管的原始尺寸為：直徑1厘米，壁厚1毫米。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明創(chuàng)造性的提出先利用石英管吹出啞鈴狀，然后水淬內(nèi)部熔體制備啞鈴狀的金屬玻璃試樣，本發(fā)明的方法是目前唯一可以制備鐵基塊體金屬玻璃啞鈴狀試樣的方法。

柱狀非晶棒制備出來(lái)只能做壓縮實(shí)驗(yàn)，因此，目前鐵基塊體金屬玻璃力學(xué)性能的研究主要是研究壓縮力學(xué)性能；但是啞鈴狀的金屬玻璃試樣制備出來(lái)以后可以做拉伸實(shí)驗(yàn)，這可以拓寬鐵基塊體金屬玻璃力學(xué)性能的研究范圍，更加本征的表征鐵基金屬玻璃的力學(xué)性能。利用本發(fā)明的方法制備啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣能夠填補(bǔ)這一方向的研究空白，有望取得突破性的成果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中制備的啞鈴狀石英管；

圖2為本發(fā)明制備的啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣；

圖3為不同形態(tài)鐵基塊體金屬玻璃的XRD與DSC圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例

本實(shí)施例的啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣的制備方法，包括以下步驟：

(1)母合金錠的制備：母合金錠的化學(xué)式為Fe_80-x(Co，Ni，Cr，Mo)_x(P,B)_y(C,Si)_z，其中，y+z＝20；制備上述母合金錠的原料為：Fe顆粒(純度99.98％)，Ni顆粒(純度99.7％)，F(xiàn)e₃P粉末(純度99.9％)，Cr粉(純度99.9％)，Mo粉(純度99.9％)，B顆粒(純度99.9％)，Si粉(純度99.99％)和石墨粉(純度99.9995％)。按照設(shè)定的合金成分按比例在精度為10^-5g的電子天平上稱得藥品后，將藥品放入事先洗好的干燥的石英玻璃管中，將石英玻璃管接入實(shí)驗(yàn)裝置中抽真空，石英玻璃管內(nèi)的真空度在30Pa以下。向石英玻璃管內(nèi)充入高純Ar氣，再次抽真空，這樣的洗氣過(guò)程進(jìn)行4-5次。最后，往石英管中通入0.85atm左右的Ar氣做保護(hù)氣體，利用1400～2000℃的火槍加熱石英玻璃管底部的藥品，各元素加熱熔化后融合為一個(gè)液態(tài)金屬小球。待全部元素融入小球后，將石英玻璃管淬火在冷水中，得到母合金錠。

(2)母合金錠的提純：將B₂O₃和CaO按照如下質(zhì)量比例混合：B₂O₃：CaO＝3：1，將混合好的提純介質(zhì)放置在封好的石英管內(nèi)抽真空10分鐘后，放置在1250℃的高溫爐中加熱，待提純介質(zhì)完全熔化呈透明裝好，打開(kāi)石英管，將之前合成的母合金錠放入提純介質(zhì)中，在1250℃下下保溫4小時(shí)以上。這個(gè)過(guò)程中，可每間隔半小時(shí)從高溫爐取出石英管，看樣品自取出到再輝的過(guò)冷時(shí)間，待過(guò)冷時(shí)間達(dá)到最大值并保持穩(wěn)定時(shí)，向石英管中充入略小于一個(gè)大氣壓的Ar氣，將石英管淬火，取出樣品，用酒精清洗后干燥，以備后用。

(3)啞鈴狀石英管的制備：將直徑約1厘米，壁厚1毫米左右的石英管通過(guò)Bench burners114/1PSL an火槍加熱至熔融狀態(tài)后，在石英管兩端均勻加載，將石英管拉長(zhǎng)指所需長(zhǎng)度，保持石英管兩端相對(duì)位置固定，離開(kāi)火槍高溫區(qū)，使石英管自然冷卻，即制備出啞鈴狀石英管，如圖1所示。

(4)啞鈴狀金屬玻璃試樣的制備：把啞鈴狀石英管的一端封口后，將氧化物提純后的樣品放置在這樣特殊的石英管后接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用與步驟(1)相同的方法進(jìn)行抽真空并洗氣后，在0.85atm的Ar氣的保護(hù)下，用火槍加熱合金至熔融，然后抽真空10s去除保護(hù)氣，再將熔融的金屬球堵在細(xì)管端口，充入Ar氣，利用氣壓將熔融金屬壓至啞鈴狀細(xì)管中后，立即將石英管放在1250℃的高溫爐中保溫，約1分鐘后取出立即放入冷水中淬火，從而得到啞鈴狀鐵基塊體金屬玻璃試樣，如圖2所示。

啞鈴狀金屬玻璃試樣的結(jié)構(gòu)檢測(cè)：

X射線衍射儀(XRD)檢測(cè)：將制備出的啞鈴狀金屬玻璃試樣取一部分下來(lái)，再干凈的容器中砸碎、研磨成粉末，在X射線衍射儀上檢測(cè)析出相。

差示掃描量熱儀(DSC)檢測(cè)：樣品質(zhì)量用精度為0.1mg的精密電子天平稱量。將金屬玻璃樣品通過(guò)DSC以0.67K/s的升溫速率加熱至過(guò)冷液相區(qū)放熱峰附近的溫度，然后冷卻至室溫，在將這些熱處理后的樣品進(jìn)行DSC分析，觀察放熱峰的變化。

XRD與DSC實(shí)驗(yàn)表明，上述制備出的鐵基合金棒和啞鈴狀合金均為非晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示，即為合格的啞鈴狀金屬玻璃試樣。如果DSC沒(méi)有明顯的放熱峰或者XRD有明顯的晶化峰，測(cè)從頭重復(fù)上述步驟，直至得到檢測(cè)結(jié)果如圖3所示的試樣為止。

目前，現(xiàn)有研究制備出的只能是兩端直接相同的柱狀金屬玻璃棒，而本發(fā)明的是一種啞鈴狀的鐵基塊體金屬玻璃試樣，其兩端粗中間細(xì)，這種樣品在本發(fā)明之前不論是吸鑄法還是噴鑄法都制備不出來(lái)，原因鐵基金屬玻璃的非晶形成能力小，達(dá)不到傳統(tǒng)方法制備啞鈴狀樣品的需求。

本發(fā)明創(chuàng)造性的提出先利用石英管吹出啞鈴狀，然后水淬內(nèi)部熔體制備啞鈴狀的金屬玻璃試樣，該方法是目前唯一可以制備鐵基塊體金屬玻璃啞鈴狀試樣的方法。

柱狀非晶棒制備出來(lái)只能做壓縮實(shí)驗(yàn)，因此，目前鐵基塊體金屬玻璃力學(xué)性能的研究主要是研究壓縮力學(xué)性能；但是啞鈴狀的金屬玻璃試樣制備出來(lái)以后可以做拉伸實(shí)驗(yàn)，這可以拓寬鐵基金屬玻璃力學(xué)性能的研究范圍，更加本征的表征鐵基金屬玻璃的力學(xué)性能。該方法也得到了領(lǐng)域內(nèi)多位專家的肯定和好評(píng)，認(rèn)為利用該方法制備啞鈴狀鐵基金屬玻璃試樣能夠填補(bǔ)這一方向的研究空白，有望取得突破性的成果。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。