非晶合金研究報(bào)告-wenkub
2022-12-12 16:07:01 本頁面
【正文】 合金在緩慢冷卻時(shí)易形成晶體，在快冷的條件下則可形成非晶態(tài) ，如圖 1所示， 在非晶合金的發(fā)展過程中， Turnnull 的連續(xù)形核理論在解釋非晶形成動(dòng)力學(xué)和闡述玻璃轉(zhuǎn)變的特征方面發(fā)揮了重要作用。 kg1 電阻率 /μΩ FINEMET 材料的軟磁性的發(fā)現(xiàn)更是引起了廣泛關(guān)注。塊狀非晶合金還具有可焊接性，結(jié)合爆炸法現(xiàn)已被用于制備更大尺寸的非晶合金。因而，塊體非晶是兼有液體和固體、金屬和玻璃特征的材料。 自非晶合金問世以來，提高非晶成形能力，即得到大尺寸的非晶樣品一直是人們努力追求的主要目標(biāo)之一。 展望未來，非晶合金具有廣闊的發(fā)展空間，因此，在另一方面，其對(duì)傳統(tǒng)材料如冷軋硅鋼等產(chǎn)品的替代威脅值得相關(guān)企業(yè)進(jìn)行關(guān)注。 正是因?yàn)榉蔷Р牧线@樣一系列優(yōu)良特性，國內(nèi)外均對(duì)其開展了系統(tǒng)性的理論與應(yīng)用研究，國內(nèi)對(duì)非晶合金的研究從 1976 年開始，國家科委一直將非晶合金的研究、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化列入重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時(shí)間就將 1300℃ 的鋼水降到 200℃ 以下，形成非晶帶材。 一旦 金屬開始冷卻，原子就會(huì)隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來，形成晶體。 但 如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了 非晶態(tài)合金 。 非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。在國際上，美日等西方發(fā)達(dá)國家也開展了大量的基礎(chǔ)性研究。 大塊非晶合金 大塊非晶合金是相對(duì)于傳統(tǒng)的低維非晶材料 (非晶粉、絲、薄帶等 )而言的，具有較大的三維幾何尺寸。在常規(guī)的冷卻條件下，合金熔體在冷卻過程中總是很快結(jié)晶而形成晶體結(jié)構(gòu)的固體，一般需要采用至少 105K／ s 以上的冷卻速度來冷卻合金熔體，才能制備出厚度在幾十到上百微米的薄帶狀金屬玻璃。由于具有“凍結(jié)”的液態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)材料的長(zhǎng)程有序，因而不存在影響合金性能的空位、位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶界、第二相等缺陷，也就不會(huì)因?yàn)槲诲e(cuò)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生滑移，加上非晶合金中原子間的鍵合比一般晶態(tài)合金強(qiáng)得多，因此某些材料具有極高的強(qiáng)度等優(yōu)異的力學(xué)性能，如高的硬度、彎曲強(qiáng)度、良好的耐磨性和斷裂韌性等。由于不存在晶界、沉淀相相界、位錯(cuò)等容易引起局部腐蝕的部位，同時(shí)也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析， 所以非晶合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比晶態(tài)合金更均勻，因而具有更高的抗腐性 。表 1 列出了非晶合金與傳統(tǒng)硅鋼的主要物理性能的差別。 cm 140 50 密度 /g根據(jù)連續(xù)形核理論， Uhl— mann 引入了非晶形成的相變理論。此外， Inoue和JohnsonE 教授等在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)此做了進(jìn)一步闡述，從拓?fù)鋵W(xué)和化學(xué)的觀點(diǎn)提出這些多組元大塊非晶合金體系的過冷液相具有以下特征：①具有高度無序的密集 堆垛結(jié)構(gòu)；② 其局部原子結(jié)構(gòu)明顯不同于相應(yīng)的結(jié)晶相；③ 各組元元素的分布在長(zhǎng)程上是均勻的。較大的負(fù)的混合熱，一方面可以提高固液界面能，抑制結(jié)晶形核，另一方面增加了長(zhǎng)程范圍內(nèi)原子排列的難度，抑制了結(jié)晶。原子尺寸差異較大的多組元組合形成的隨機(jī)密堆結(jié)構(gòu)大大降低了過冷液態(tài)與晶態(tài)的焓變 H 的絕對(duì)值 (因?yàn)?H 是負(fù)數(shù)，所以實(shí)際上是增加的 )并增大固液界面能， H 的增加導(dǎo)致了 G 的增加，抑制了晶體的形核與生長(zhǎng)，增大了非晶形成能力，宏觀上表現(xiàn)為合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度 Tk和晶化溫度 TX升高，過冷液相區(qū)間 TX變大。從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方面考慮，△丁 x 也反映了形核率的大小和長(zhǎng)大速率的快慢?！熬盼濉逼陂g，組建 了“國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心”，建立了“千噸級(jí)非晶帶材生產(chǎn)線”，非晶態(tài)合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程大大加快，現(xiàn)已初步形成非晶態(tài)合金科研開發(fā)和應(yīng)用體系。 中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組在非晶方面的研究近年來取得了重大進(jìn)展，其主要工作集中在稀土基非晶的制備和力學(xué)性能的研究上；中國科學(xué)院金屬研究所張哲峰等人主要研究不同非晶材料的拉伸和壓縮變形與斷裂特征，還總結(jié)了不同非晶材料在拉伸和壓縮及斷裂時(shí)的不對(duì)稱性；清華大學(xué)姚可夫等人采用玻璃包覆提純技術(shù)和水淬及空冷方法制備了 Pd— Si二元非晶球形樣品；西安交通大學(xué)張臨財(cái)?shù)热擞懻摿说诙鄬?duì) Zr基非晶復(fù)合材料力學(xué)性能的影響；哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃永江等人研究了 Ti 4 2_ Zr ． Cu 。 Nd。合金系列涉及到過渡金屬一類金屬系、鋯基、鉬基、鎂基等，研究方法覆蓋了從模鑄法到水淬、粉末冶金、區(qū)域熔煉等多種方法。但是，玻璃形成能力與形成理論、原子尺度的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)缺陷類型和表征方式、非 均勻形變與脆性斷裂、剪切帶的萌生與滑移擴(kuò)展、制備過程中的結(jié)構(gòu)與流變特性可控制性等仍是材料科學(xué)與物理研究的重大挑戰(zhàn)性問題。 非晶形成能力與設(shè)計(jì)是非晶合金材料研究中的關(guān)鍵問題之一。 非晶合金形變和斷裂研究中的一個(gè)核心問題是剪切帶的形成與演化機(jī)理及其能量耗散機(jī)制。通過斷裂面特征的研究可能為尋找非晶合金韌化途徑提供重要幫助。 專家建議，我國政府應(yīng)當(dāng)不失時(shí)機(jī)地組織優(yōu)秀的科學(xué) 家和企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，解決應(yīng)用研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題，力爭(zhēng)在 2－ 3個(gè)合金體系的實(shí)際應(yīng)用研究方面取得突破，形成整套的工藝技術(shù)成果，早日將這種性能優(yōu)異的新金屬材料產(chǎn)業(yè)化，將科學(xué)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。 大塊非晶合金具有很強(qiáng)的非晶形成能力，突破了傳統(tǒng)非晶合金的制造上需要高的冷卻速率的工藝限制，在較低的冷卻速率下就可以形成較大體積 。 在制備大塊非晶過程中，關(guān)鍵是減少非均質(zhì)形核，因而各種制備方法都有以下兩個(gè)共同特征： (1)對(duì)合金母材反復(fù)熔煉，以提高熔體的純度，消除非均質(zhì)形核點(diǎn)。這種方法在制備高熔點(diǎn)的非晶合金方面具有其它方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。采用電弧加熱將母合金熔化，整個(gè)裝置放在一個(gè)密閉的真空系統(tǒng)中。吸鑄的優(yōu)點(diǎn)是，采用高頻或中頻感應(yīng)加熱，合金熔化速度快，電磁攪拌使合金成分更加均勻，加上熔煉數(shù)次，臨界冷卻速度將明顯下降，這是因?yàn)榉磸?fù)熔煉提高了熔體純度，消除了非均質(zhì) 形核點(diǎn)，同時(shí)還適合于大尺寸樣品的制備。 采用固結(jié)成形法制備大塊非晶合金的首要條件是合金在加熱時(shí)存在一個(gè)較寬的過冷溫度區(qū)△ T ，對(duì)于 高非晶形成能力的合金而言，其低的非晶形成臨界冷速使之具有更小的晶化驅(qū)動(dòng)力，因而在過冷度區(qū)間有更高的熱穩(wěn)定性。 由于粉末固結(jié)成形法可以制備大尺寸的非晶 ，還可以進(jìn)行大量制備，是一種極有前途的制備大塊非晶的方法，原則上講粉末固結(jié)成形法也是有效的，但實(shí)際上存在不少問題，比如若過冷溫度區(qū)間較窄，獲得非晶粉末完全彌合而不發(fā)生晶化的玻璃態(tài)是很困難的，所以該工藝的關(guān)鍵還是
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