材料科学 毕业设计-

毕 业 设 计太 原 科 技 大 学 王 鲁 东 轧 制 对 Zr60Al15Ni25块 体非 晶 合 金 微 观 结 构 的 影 响 内 容 提 要 论 文 的 提 出 文 献 综 述 论 文 研 究 的 目 的 及 意 义 实 验 部 分 实 验 结 果 分 析 主 要 结 论 论 文 的 提 出 非 晶 合 金 具 有 一 系 列 优 异 的 性 能 ， 但 其 在 热 力学 上 处 于 亚 稳 态 ， 加 热 至 一 定 的 温 度 时 将 发 生晶 化 。 另 外 ， 人 们 发 现 了 塑 性 变 形 同 样 能 够 诱导 非 晶 合 金 的 晶 化 ， 并 且 有 望 成 为 制 备 新 型 非晶 基 复 合 材 料 的 有 效 手 段 之 一 。 非 晶 合 金 在 工程 应 用 中 ， 不 可 避 免 地 将 发 生 塑 性 变 形 ， 其 产生 的 结 构 变 化 会 对 材 料 的 各 种 性 能 产 生 明 显 的影 响 。 因 此 ， 了 解 塑 性 变 形 诱 导 非 晶 合 金 晶 化的 微 观 机 制 具 有 重 要 的 科 学 意 义 和 工 程 应 用 价值 。 文 献 综 述大 块 非 晶 合 金 的 制 备 迄 今 为 止 已 用 于 制 备 大 块 非 晶 合 金的 缓 冷 凝 固 工 艺 通 常 有 高 压 压 铸 法 、水 淬 法 、 铜 模 铸 造 法 、 电 弧 熔 炼 法 、定 向 区 熔 法 和 吸 铸 法 等 。 其 中 水 淬法 和 铜 模 吸 铸 法 最 为 常 用 。 大 块 非 晶 合 金 的 结 构 特 征 只 存 在 小 区 间 内 短 程 有 序 ， 近 邻 和 次 近 邻 的原 子 键 合 其 结 构 与 液 态 很 相 似 ， 不 存 在 成 分 偏 析 、 夹杂 物 和 第 二 相 作 为 一 种 亚 稳 态 材 料 ， 室 温 下 非 晶 相 与 晶 化相 之 间 存 在 着 很 大 的 自 由 焓 差 ， 在 适 当 条 件下 ， 非 晶 相 必 然 发 生 向 稳 定 的 晶 态 结 构 转 变 型 大 块 非 晶 合 金 至 少 有 3个 组 元 ， 这 些 组 元 都为 普 通 金 属 元 素 大 块 非 晶 合 金 的 晶 化 及 其 晶 化 途 径 非 晶 相 的 吉 布 斯 自 由 能 高 于 相 应 的 晶 态 相 ， 因 此 非 晶合 金 的 原 子 在 热 力 学 上 处 于 亚 稳 态 ， 在 适 当 的 条 件 下（ 如 加 热 或 塑 性 变 形 ） ， 它 就 要 向 能 量 较 低 的 亚 稳 非晶 态 或 平 衡 晶 态 转 变 。 非 晶 合 金 的 晶 化 是 一 个 形 核 和 长 大 过 程 ， 其 驱 动 力 为非 晶 相 和 结 晶 相 之 间 的 自 由 能 差 。 其 晶 化 途 径 主 要 有 加 热 诱 导 非 晶 合 金 的 晶 化 和 塑 性 变形 诱 导 非 晶 合 金 的 晶 化 本 文 的 研 究 内 容 及 意 义 研 究 内 容 1） 塑 性 变 形 对 非 晶 合 金 热 稳 定 性 的 影 响 ， 以探 讨 非 晶 合 金 机 械 稳 定 性 与 热 稳 定 性 区 别 与联 系 。 2） 研 究 了 大 块 非 晶 合 金 的 塑 性 变 形 机 制 。 3） 研 究 了 大 块 非 晶 合 金 在 塑 性 变 形 过 程 中 微观 结 构 的 变 化 。 研 究 意 义 通 过 科 学 评 价 局 部 热 效 应 与 塑 性 流 动 在塑 性 变 形 诱 导 非 晶 合 金 晶 化 过 程 中 的 主导 地 位 ， 为 从 根 本 上 揭 示 塑 性 变 形 诱 导非 晶 合 金 晶 化 的 微 观 机 制 指 明 研 究 方 向 ，从 而 使 得 在 原 子 尺 度 上 认 识 塑 性 变 形 过程 中 合 金 原 子 的 扩 散 特 征 更 具 针 对 性 。 为 制 备 新 型 非 晶 基 复 合 材 料 提 供 理 论 依据 。 通 过 适 当 的 塑 性 变 形 实 现 非 晶 合 金的 晶 化 ， 从 而 获 得 需 要 的 材 料 性 能 。 实 验 部 分熔 炼 ， 铜模 吸 铸 法原 始 母 合金 铸 锭 大 块 非晶 合 金轧 制 处 理X-射 线 衍射 分 析 (XRD) 扫 描 电 镜分 析（ SEM） 高 分 辨透 射电 镜 分 析（ HREM） 差 示 扫 描量 热分 析 仪 (DSC)实验流程图 合 金 成 分 的 选 择 原 始 母 合 金 铸 锭 的配 制 块 体 非 晶 试 样 的 制备 轧 制 处 理 水 冷 套铜 模熔 炼 炉 体电 弧真 空 容 器 阀 门冷 却 水合 金 料 实 验 步 骤 XRD检 测 扫 描 电 镜 分 析 （ SEM ） 高 分 辨 透 射 电 镜 分 析 （ HREM） DSC测 试 微 观 结 构 测 试 实 验 结 果 及 分 析Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 轧 制 后 的 热 稳 定 性 非 晶 合 金 的 稳 定 性 分 热 稳 定 性 和 机 械 稳 定 性 。 非 晶 合 金 的 原 子 在 热 力 学 上 处 于 亚 稳 态 ， 在 适 当 的 条件 下 ， 它 就 要 向 能 量 较 低 的 亚 稳 非 晶 态 或 平 衡 晶 态 转变 。 在 较 低 的 温 度 下 ， 一 般 向 较 稳 定 的 亚 稳 非 晶 态 转变 ， 这 个 过 程 称 为 结 构 驰 豫 。 非 晶 合 金 在 加 热 过 程 中 ， 首 先 发 生 玻 璃 化 转 变 （ 吸 热过 程 ） ， 随 后 发 生 晶 化 （ 放 热 过 程 ） 。 一 般 用 过 冷 液相 区 Tx来 表 征 非 晶 合 金 的 热 稳 定 性 。 一 般 来 说 ，Tx越 大 ， 表 明 非 晶 合 金 的 热 稳 定 性 越 好 ， 相 应 合 金的 玻 璃 形 成 能 力 （ GFA） 就 越 大 。 如 右 图 示 ， 可 以 看 出 ，随 变 形 量 的 增 大 ， Te-Tx呈 上 下 反 复 波 动 变 化 ，总 体 下 降 。 也 就 是 说 ，与 铸 态 相 比 ， 轧 制 试 样晶 化 过 程 较 短 ， 晶 化 速率 高 ， 这 表 明 轧 制 样 品比 铸 态 有 着 更 有 序 的 原子 结 构 ， 使 其 在 后 来 加热 晶 化 过 程 中 晶 化 较 为容 易 。 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%5055 606570 7580 轧 制 变 形 量 （ % ） Te-Tx/K Te-Tx与 变 化 关 系 图 轧 制 过 程 中 的 微 观 结 构 变 化 低 应 变 速 率 的 轧 制 使 Zr60Al15Ni25合 金 原子 组 态 发 生 了 有 序 化 和 无 序 化 之 间 的 可逆 相 变 。 整 体 趋 向 于 有 序 ， 发 生 了 晶 化 。这 个 过 程 是 扩 散 控 制 的 有 序 化 和 剪 切 应力 诱 导 的 无 序 化 两 个 相 反 过 程 竞 争 选 择的 结 果 。 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 - 放热 热流( mw/mg) 温 度 (K) (a) =95% =90% =80% =30% =20% =10% As-cast 右 图 为 铸 态 和 一 些 轧 制 试 样的 DSC曲 线 ， 所 有 的 曲 线 都 有一 个 表 征 玻 璃 化 转 变 的 吸 热 峰和 随 后 的 晶 化 放 热 峰 ， 通 过 计算 放 热 部 分 的 面 积 ， 得 到 各 种变 形 量 的 晶 化 放 热 焓 。 放 热 焓表 征 晶 化 过 程 中 能 量 变 化 ， 因此 ， 可 以 用 来 度 量 原 子 的 有 序或 无 序 度 。 放 热 焓 越 大 ， 表 明原 合 金 原 子 组 态 的 有 序 度 越 低 ，相 反 则 原 子 组 态 的 有 序 度 越 高 。 铸 态 和 一 些 轧 制 试 样 的 XRD图 右 图 中 ， 在 变 形 量 为10%时 ， 放 热 焓 降 低 ， 这表 明 初 步 的 轧 制 使 原 子 更 加有 序 。 随 着 变 形 量 的 不 断 增加 ， 放 热 焓 上 下 反 复 波 动 ，整 体 趋 于 减 小 。 需 要 指 出 的是 ， 由 于 实 验 数 据 有 限 ， 并且 在 数 据 处 理 过 程 中 DSC基 线 的 误 差 ， Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 发 生相 变 的 拐 点 并 不 一 定 就 是本 文 所 提 供 的 确 切 数 值 ， 但这 些 数 据 足 以 反 映 出 微 观 结构 发 生 变 化 的 趋 势 。 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%8892 96100 104 放热焓（H/Jg -1 ） 轧 制 变 形 量 （ % ） (b)通 过 Lorentz模 拟 得 到 的 相 应 主 衍 射 峰的 FWHM值 右 图 为 轧 制 变 形 量 为 = 30 %的 Zr60Al15Ni25非 晶 合金 在 室 温 轧 制 后 条 带 中 心 部分 区 域 的 SEM图 。 从 图 中可 以 看 出 ， 在 非 晶 基 体 上 分布 着 较 宽 白 色 条 带 区 域 （ 图中 黑 色 短 箭 头 所 示 ） ， 这 是在 轧 制 过 程 中 塑 性 变 形 导 致的 材 料 堆 积 所 致 。 在 这 些 塑性 变 形 区 域 周 围 出 现 了 大 量剪 切 带 （ 白 色 箭 头 所 示 ） 。剪 切 带 的 出 现 表 明 轧 制 过 程中 Zr 60Al15Ni25发 生 了 非 均 匀变 形 。 图 3-4 轧 制 变 形 量 =30%的Zr60Al15Ni25非 晶 样 品 SEM图 如 右 图 ， （ a） 中 明 显 地显 示 了 剪 切 带 的 存 在 。 在 透 射电 镜 图 像 中 ， 这 些 剪 切 带 为 白色 条 带 ， 这 是 因 为 这 些 区 域 比周 围 没 有 变 形 的 基 体 更 容 易 被电 解 液 腐 蚀 。 在 剪 切 带 内 部 出现 了 相 分 离 甚 至 纳 米 晶 化 。 如图 （ c） 中 白 色 圆 内 部 所 示 ，与 基 体 相 比 ， 这 部 分 原 子 取 向相 同 ， 表 现 了 高 度 的 有 序 化 特征 。 变 形 量 为 95%的 轧 制 样 品HREM 主 要 结 论 本 文 利 用 XRD、 DSC和 SEM和 HREM等 实 验 手 段 对 Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 在 室温 轧 制 过 程 中 的 微 观 结 构 变 化 及 热 稳 定性 进 行 了 研 究 ， 利 用 自 由 体 积 理 论 就 微观 结 构 变 化 对 力 学 性 能 的 影 响 进 行 了 研究 。 主 要 得 到 如 下 结 论 ： （ 1） 低 应 变 速 率 的 轧 制 使 Zr60Al15Ni25非晶 条 带 出 现 了 剪 切 带 。 剪 切 带 内 合 金 原子 组 态 发 生 了 有 序 化 和 无 序 化 之 间 的 可逆 相 变 。 这 个 过 程 是 扩 散 控 制 的 有 序 化和 剪 切 应 力 诱 导 的 无 序 化 两 个 相 反 过 程竞 争 选 择 的 结 果 。 （ 2） 当 轧 制 使 非 晶 合 金 更 加 有 序 时 ， 在短 程 有 序 区 晶 核 更 容 易 形 成 ， 这 造 成 了非 晶 合 金 的 热 稳 定 性 降 低 ， 因 此 经 轧 制后 Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 更 容 易 发 生 晶 化 。HREM结 果 表 明 经 轧 制 变 形 的 非 晶 合 金剪 切 带 内 发 生 了 晶 化 。