非晶合金研究報告-wenkub
2022-12-12 16:07:01 本頁面
【正文】 合金在緩慢冷卻時易形成晶體，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力學和闡述玻璃轉變的特征方面發(fā)揮了重要作用。 kg1 電阻率 /μΩ FINEMET 材料的軟磁性的發(fā)現(xiàn)更是引起了廣泛關注。塊狀非晶合金還具有可焊接性，結合爆炸法現(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，其對傳統(tǒng)材料如冷軋硅鋼等產(chǎn)品的替代威脅值得相關企業(yè)進行關注。 正是因為非晶材料這樣一系列優(yōu)良特性，國內外均對其開展了系統(tǒng)性的理論與應用研究，國內對非晶合金的研究從 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項目。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、化學性能和機械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。在國際上，美日等西方發(fā)達國家也開展了大量的基礎性研究。 大塊非晶合金 大塊非晶合金是相對于傳統(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晶而形成晶體結構的固體，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”的液態(tài)結構，沒有晶態(tài)材料的長程有序，因而不存在影響合金性能的空位、位錯、層錯、晶界、第二相等缺陷，也就不會因為位錯的運動而產(chǎn)生滑移，加上非晶合金中原子間的鍵合比一般晶態(tài)合金強得多，因此某些材料具有極高的強度等優(yōu)異的力學性能，如高的硬度、彎曲強度、良好的耐磨性和斷裂韌性等。由于不存在晶界、沉淀相相界、位錯等容易引起局部腐蝕的部位，同時也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析， 所以非晶合金在結構和成分上都比晶態(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 教授等在大量實驗的基礎上對此做了進一步闡述，從拓撲學和化學的觀點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 堆垛結構；② 其局部原子結構明顯不同于相應的結晶相；③ 各組元元素的分布在長程上是均勻的。較大的負的混合熱，一方面可以提高固液界面能，抑制結晶形核，另一方面增加了長程范圍內原子排列的難度，抑制了結晶。原子尺寸差異較大的多組元組合形成的隨機密堆結構大大降低了過冷液態(tài)與晶態(tài)的焓變 H 的絕對值 (因為 H 是負數(shù)，所以實際上是增加的 )并增大固液界面能， H 的增加導致了 G 的增加，抑制了晶體的形核與生長，增大了非晶形成能力，宏觀上表現(xiàn)為合金的玻璃轉變溫度 Tk和晶化溫度 TX升高，過冷液相區(qū)間 TX變大。從結晶動力學方面考慮，△丁 x 也反映了形核率的大小和長大速率的快慢?！熬盼濉逼陂g，組建 了“國家非晶微晶合金工程技術研究中心”，建立了“千噸級非晶帶材生產(chǎn)線”，非晶態(tài)合金的產(chǎn)業(yè)化進程大大加快，現(xiàn)已初步形成非晶態(tài)合金科研開發(fā)和應用體系。 中國科學院物理研究所汪衛(wèi)華研究組在非晶方面的研究近年來取得了重大進展，其主要工作集中在稀土基非晶的制備和力學性能的研究上；中國科學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，還總結了不同非晶材料在拉伸和壓縮及斷裂時的不對稱性；清華大學姚可夫等人采用玻璃包覆提純技術和水淬及空冷方法制備了 Pd— Si二元非晶球形樣品；西安交通大學張臨財?shù)热擞懻摿说诙鄬?Zr基非晶復合材料力學性能的影響；哈爾濱工業(yè)大學黃永江等人研究了 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、原子尺度的結構特征、結構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展、制備過程中的結構與流變特性可控制性等仍是材料科學與物理研究的重大挑戰(zhàn)性問題。 非晶形成能力與設計是非晶合金材料研究中的關鍵問題之一。 非晶合金形變和斷裂研究中的一個核心問題是剪切帶的形成與演化機理及其能量耗散機制。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，我國政府應當不失時機地組織優(yōu)秀的科學 家和企業(yè)進行聯(lián)合攻關，解決應用研究中的關鍵技術問題，力爭在 2－ 3個合金體系的實際應用研究方面取得突破，形成整套的工藝技術成果，早日將這種性能優(yōu)異的新金屬材料產(chǎn)業(yè)化，將科學優(yōu)勢轉換成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。 大塊非晶合金具有很強的非晶形成能力，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，關鍵是減少非均質形核，因而各種制備方法都有以下兩個共同特征： (1)對合金母材反復熔煉，以提高熔體的純度，消除非均質形核點。這種方法在制備高熔點的非晶合金方面具有其它方法所不能比擬的優(yōu)勢。采用電弧加熱將母合金熔化，整個裝置放在一個密閉的真空系統(tǒng)中。吸鑄的優(yōu)點是，采用高頻或中頻感應加熱，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，這是因為反復熔煉提高了熔體純度，消除了非均質 形核點，同時還適合于大尺寸樣品的制備。 采用固結成形法制備大塊非晶合金的首要條件是合金在加熱時存在一個較寬的過冷溫度區(qū)△ T ，對于 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動力，因而在過冷度區(qū)間有更高的熱穩(wěn)定性。 由于粉末固結成形法可以制備大尺寸的非晶 ，還可以進行大量制備，是一種極有前途的制備大塊非晶的方法，原則上講粉末固結成形法也是有效的，但實際上存在不少問題，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，所以該工藝的關鍵還是
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