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相对于多晶态镁合金,Mg-Zn-Ca金属玻璃(BMGs)具有高强度、高比强度、高弹性极限以及较好的生物相容性等优异性能。为了满足工程应用,如作为生物医用材料的性能需求,了解Mg-Zn-Ca BMGs的形成能力(GFA)、力学性能的可靠性,及其结构弛豫行为就具有重要的意义。本工作系统地研究了Mg-Zn-Ca合金的玻璃形成成分范围,高玻璃形成能力的原因,压缩载荷下样品的力学行为与断裂强度的可靠性,以及结构弛豫对Mg-Zn-Ca BMGs弹性性能与缺口韧性的影响等。主要结论如下:
1.Mg-Zn-Ca三元合金的GFA强烈地依赖合金成分的变化。临界直径大于等于4 mm的玻璃形成合金主要位于Ca含量为4～5 at.％的成分线上,GFA最佳合金定位于Mg67Zn29Ca4与Mg66Zn30Ca4,临界直径为5 mm。Mg-Zn-Ca体系较强的玻璃形成能力与三元平衡相图的共晶反应L→Mg+Ca2MgsZn13相关联,共晶点成分对应GFA最佳的合金。
2.Mg71Zn25Ca4、Mg66Zn30Ca4与Mg61Cu28Gd11 BMG圆棒样品的压缩断裂强度分布在一个较窄的范围。通过Weibull统计分析得到三个BMG合金压缩断裂强度分布的Weibull模量m分别为41、26与33,而陶瓷材料与普通氧化物玻璃的Weibull模量m一般小于10。这一结果表明,相比陶瓷与氧化物玻璃,Mg基BMGs的断裂强度具有更高的可靠性,有利于其可能的工业应用。
3.铸态Mg66Zn30Ca4BMG室温下可以发生明显的结构弛豫,其弛豫动力学过程可用Stretched Exponential方程描述:△Ht/△Heq=1-exp[-(t/τ)β],其中τ=1.2×104h为特征弛豫时间,β=0.23为Kohlrausch指数,△Heq为经过t→∞弛豫退火所对应的平衡回复焓△Heq。
4.结构弛豫可引起Mg66Zn30Ca4 BMG密度、弹性性能以及力学性能的变化。相对于室温初步弛豫(1.5 h)状态样品,完全弛豫状态样品的密度p、硬度Hv和剪切模量μ分别增加0.27％、5.0％和3.4％,而泊松比v,则降低1.4％。同时,相应样品的缺口韧性值从9.0±1.7 MPaml/2。仅降低为7.1±1.8 MPaml/2,表明一定条件下Mg66Zn30Ca4 BMG具有很好的抵抗弛豫脆性的能力。因此,作为一种潜在的生物医用材料,Mg-Zn-Ca BMGs在可能的实际应用中其力学性能可以表现出较高的弛豫稳定性。
5.成分变化时,Mg66Zn2sCa6、Mg66Zn30Ca4、Mg68Zn28Ca4与Mg71Zn25Ca4 BMG室温(TR)弛豫840 h后样品的缺口韧性与材料弹性性能之间的关系呈非单调变化。对于TR/Tg≤0.78的Mg66Zn28Ca6、Mg66Zn30Ca4与Mg68Zn28Ca4 BMG,泊松比升高或剪切模量降低伴随着样品缺口韧性值相应地由4.0±1.5 MPaml/2增加到10.6±2.2 MPaml/2;而对于TR/Tg>0.78的Mg71Zn25Ca4 BMG,即使泊松比进一步升高,且剪切模量进一步降低,样品缺口韧性值反而降低为9.1±2.5 MPaml/2。