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1、畢 業(yè) 設(shè) 計太 原 科 技 大 學(xué) 王 魯 東 軋 制 對 Zr60Al15Ni25塊 體非 晶 合 金 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 影 響 內(nèi) 容 提 要 論 文 的 提 出 文 獻 綜 述 論 文 研 究 的 目 的 及 意 義 實 驗 部 分 實 驗 結(jié) 果 分 析 主 要 結(jié) 論 論 文 的 提 出 非 晶 合 金 具 有 一 系 列 優(yōu) 異 的 性 能 ， 但 其 在 熱 力學(xué) 上 處 于 亞 穩(wěn) 態(tài) ， 加 熱 至 一 定 的 溫 度 時 將 發(fā) 生晶 化 。 另 外 ， 人 們 發(fā) 現(xiàn) 了 塑 性 變 形 同 樣 能 夠 誘導(dǎo) 非 晶 合 金 的 晶 化 ， 并 且 有 望 成 為 制

2、 備 新 型 非晶 基 復(fù) 合 材 料 的 有 效 手 段 之 一 。 非 晶 合 金 在 工程 應(yīng) 用 中 ， 不 可 避 免 地 將 發(fā) 生 塑 性 變 形 ， 其 產(chǎn)生 的 結(jié) 構(gòu) 變 化 會 對 材 料 的 各 種 性 能 產(chǎn) 生 明 顯 的影 響 。 因 此 ， 了 解 塑 性 變 形 誘 導(dǎo) 非 晶 合 金 晶 化的 微 觀 機 制 具 有 重 要 的 科 學(xué) 意 義 和 工 程 應(yīng) 用 價值 。 文 獻 綜 述大 塊 非 晶 合 金 的 制 備 迄 今 為 止 已 用 于 制 備 大 塊 非 晶 合 金的 緩 冷 凝 固 工 藝 通 常 有 高 壓 壓 鑄 法 、水 淬 法 、

3、銅 模 鑄 造 法 、 電 弧 熔 煉 法 、定 向 區(qū) 熔 法 和 吸 鑄 法 等 。 其 中 水 淬法 和 銅 模 吸 鑄 法 最 為 常 用 。 大 塊 非 晶 合 金 的 結(jié) 構(gòu) 特 征 只 存 在 小 區(qū) 間 內(nèi) 短 程 有 序 ， 近 鄰 和 次 近 鄰 的原 子 鍵 合 其 結(jié) 構(gòu) 與 液 態(tài) 很 相 似 ， 不 存 在 成 分 偏 析 、 夾雜 物 和 第 二 相 作 為 一 種 亞 穩(wěn) 態(tài) 材 料 ， 室 溫 下 非 晶 相 與 晶 化相 之 間 存 在 著 很 大 的 自 由 焓 差 ， 在 適 當(dāng) 條 件下 ， 非 晶 相 必 然 發(fā) 生 向 穩(wěn) 定 的 晶 態(tài) 結(jié) 構(gòu)

4、轉(zhuǎn) 變 型 大 塊 非 晶 合 金 至 少 有 3個 組 元 ， 這 些 組 元 都為 普 通 金 屬 元 素 大 塊 非 晶 合 金 的 晶 化 及 其 晶 化 途 徑 非 晶 相 的 吉 布 斯 自 由 能 高 于 相 應(yīng) 的 晶 態(tài) 相 ， 因 此 非 晶合 金 的 原 子 在 熱 力 學(xué) 上 處 于 亞 穩(wěn) 態(tài) ， 在 適 當(dāng) 的 條 件 下（ 如 加 熱 或 塑 性 變 形 ） ， 它 就 要 向 能 量 較 低 的 亞 穩(wěn) 非晶 態(tài) 或 平 衡 晶 態(tài) 轉(zhuǎn) 變 。 非 晶 合 金 的 晶 化 是 一 個 形 核 和 長 大 過 程 ， 其 驅(qū) 動 力 為非 晶 相 和 結(jié) 晶 相

5、之 間 的 自 由 能 差 。 其 晶 化 途 徑 主 要 有 加 熱 誘 導(dǎo) 非 晶 合 金 的 晶 化 和 塑 性 變形 誘 導(dǎo) 非 晶 合 金 的 晶 化 本 文 的 研 究 內(nèi) 容 及 意 義 研 究 內(nèi) 容 1） 塑 性 變 形 對 非 晶 合 金 熱 穩(wěn) 定 性 的 影 響 ， 以探 討 非 晶 合 金 機 械 穩(wěn) 定 性 與 熱 穩(wěn) 定 性 區(qū) 別 與聯(lián) 系 。 2） 研 究 了 大 塊 非 晶 合 金 的 塑 性 變 形 機 制 。 3） 研 究 了 大 塊 非 晶 合 金 在 塑 性 變 形 過 程 中 微觀 結(jié) 構(gòu) 的 變 化 。 研 究 意 義 通 過 科 學(xué) 評 價 局

6、 部 熱 效 應(yīng) 與 塑 性 流 動 在塑 性 變 形 誘 導(dǎo) 非 晶 合 金 晶 化 過 程 中 的 主導(dǎo) 地 位 ， 為 從 根 本 上 揭 示 塑 性 變 形 誘 導(dǎo)非 晶 合 金 晶 化 的 微 觀 機 制 指 明 研 究 方 向 ，從 而 使 得 在 原 子 尺 度 上 認(rèn) 識 塑 性 變 形 過程 中 合 金 原 子 的 擴 散 特 征 更 具 針 對 性 。 為 制 備 新 型 非 晶 基 復(fù) 合 材 料 提 供 理 論 依據(jù) 。 通 過 適 當(dāng) 的 塑 性 變 形 實 現(xiàn) 非 晶 合 金的 晶 化 ， 從 而 獲 得 需 要 的 材 料 性 能 。 實 驗 部 分熔 煉 ， 銅

7、模 吸 鑄 法原 始 母 合金 鑄 錠 大 塊 非晶 合 金軋 制 處 理X-射 線 衍射 分 析 (XRD) 掃 描 電 鏡分 析（ SEM） 高 分 辨透 射電 鏡 分 析（ HREM） 差 示 掃 描量 熱分 析 儀 (DSC)實驗流程圖 合 金 成 分 的 選 擇 原 始 母 合 金 鑄 錠 的配 制 塊 體 非 晶 試 樣 的 制備 軋 制 處 理 水 冷 套銅 模熔 煉 爐 體電 弧真 空 容 器 閥 門冷 卻 水合 金 料 實 驗 步 驟 XRD檢 測 掃 描 電 鏡 分 析 （ SEM ） 高 分 辨 透 射 電 鏡 分 析 （ HREM） DSC測 試 微 觀 結(jié) 構(gòu) 測 試

8、 實 驗 結(jié) 果 及 分 析Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 軋 制 后 的 熱 穩(wěn) 定 性 非 晶 合 金 的 穩(wěn) 定 性 分 熱 穩(wěn) 定 性 和 機 械 穩(wěn) 定 性 。 非 晶 合 金 的 原 子 在 熱 力 學(xué) 上 處 于 亞 穩(wěn) 態(tài) ， 在 適 當(dāng) 的 條件 下 ， 它 就 要 向 能 量 較 低 的 亞 穩(wěn) 非 晶 態(tài) 或 平 衡 晶 態(tài) 轉(zhuǎn)變 。 在 較 低 的 溫 度 下 ， 一 般 向 較 穩(wěn) 定 的 亞 穩(wěn) 非 晶 態(tài) 轉(zhuǎn)變 ， 這 個 過 程 稱 為 結(jié) 構(gòu) 馳 豫 。 非 晶 合 金 在 加 熱 過 程 中 ， 首 先 發(fā) 生 玻 璃 化 轉(zhuǎn) 變 （ 吸 熱過 程

9、） ， 隨 后 發(fā) 生 晶 化 （ 放 熱 過 程 ） 。 一 般 用 過 冷 液相 區(qū) Tx來 表 征 非 晶 合 金 的 熱 穩(wěn) 定 性 。 一 般 來 說 ，Tx越 大 ， 表 明 非 晶 合 金 的 熱 穩(wěn) 定 性 越 好 ， 相 應(yīng) 合 金的 玻 璃 形 成 能 力 （ GFA） 就 越 大 。 如 右 圖 示 ， 可 以 看 出 ，隨 變 形 量 的 增 大 ， Te-Tx呈 上 下 反 復(fù) 波 動 變 化 ，總 體 下 降 。 也 就 是 說 ，與 鑄 態(tài) 相 比 ， 軋 制 試 樣晶 化 過 程 較 短 ， 晶 化 速率 高 ， 這 表 明 軋 制 樣 品比 鑄 態(tài) 有 著 更

10、 有 序 的 原子 結(jié) 構(gòu) ， 使 其 在 后 來 加熱 晶 化 過 程 中 晶 化 較 為容 易 。 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%5055 606570 7580 軋 制 變 形 量 （ % ） Te-Tx/K Te-Tx與 變 化 關(guān) 系 圖 軋 制 過 程 中 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 變 化 低 應(yīng) 變 速 率 的 軋 制 使 Zr60Al15Ni25合 金 原子 組 態(tài) 發(fā) 生 了 有 序 化 和 無 序 化 之 間 的 可逆 相 變 。 整 體 趨 向 于 有 序 ， 發(fā) 生 了 晶 化 。這 個 過 程 是 擴 散 控 制 的 有 序 化 和 剪

11、切 應(yīng)力 誘 導(dǎo) 的 無 序 化 兩 個 相 反 過 程 競 爭 選 擇的 結(jié) 果 。 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 - 放熱 熱流( mw/mg) 溫 度 (K) (a) =95% =90% =80% =30% =20% =10% As-cast 右 圖 為 鑄 態(tài) 和 一 些 軋 制 試 樣的 DSC曲 線 ， 所 有 的 曲 線 都 有一 個 表 征 玻 璃 化 轉(zhuǎn) 變 的 吸 熱 峰和 隨 后 的 晶 化 放 熱 峰 ， 通 過 計算 放 熱 部 分 的 面 積 ， 得 到 各 種變 形 量 的 晶 化 放 熱 焓 。 放 熱 焓表 征

12、 晶 化 過 程 中 能 量 變 化 ， 因此 ， 可 以 用 來 度 量 原 子 的 有 序或 無 序 度 。 放 熱 焓 越 大 ， 表 明原 合 金 原 子 組 態(tài) 的 有 序 度 越 低 ，相 反 則 原 子 組 態(tài) 的 有 序 度 越 高 。 鑄 態(tài) 和 一 些 軋 制 試 樣 的 XRD圖 右 圖 中 ， 在 變 形 量 為10%時 ， 放 熱 焓 降 低 ， 這表 明 初 步 的 軋 制 使 原 子 更 加有 序 。 隨 著 變 形 量 的 不 斷 增加 ， 放 熱 焓 上 下 反 復(fù) 波 動 ，整 體 趨 于 減 小 。 需 要 指 出 的是 ， 由 于 實 驗 數(shù) 據(jù) 有 限

13、 ， 并且 在 數(shù) 據(jù) 處 理 過 程 中 DSC基 線 的 誤 差 ， Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 發(fā) 生相 變 的 拐 點 并 不 一 定 就 是本 文 所 提 供 的 確 切 數(shù) 值 ， 但這 些 數(shù) 據(jù) 足 以 反 映 出 微 觀 結(jié)構(gòu) 發(fā) 生 變 化 的 趨 勢 。 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%8892 96100 104 放熱焓（H/Jg -1 ） 軋 制 變 形 量 （ % ） (b)通 過 Lorentz模 擬 得 到 的 相 應(yīng) 主 衍 射 峰的 FWHM值 右 圖 為 軋 制 變 形 量 為 = 30 %的 Zr60Al15

14、Ni25非 晶 合金 在 室 溫 軋 制 后 條 帶 中 心 部分 區(qū) 域 的 SEM圖 。 從 圖 中可 以 看 出 ， 在 非 晶 基 體 上 分布 著 較 寬 白 色 條 帶 區(qū) 域 （ 圖中 黑 色 短 箭 頭 所 示 ） ， 這 是在 軋 制 過 程 中 塑 性 變 形 導(dǎo) 致的 材 料 堆 積 所 致 。 在 這 些 塑性 變 形 區(qū) 域 周 圍 出 現(xiàn) 了 大 量剪 切 帶 （ 白 色 箭 頭 所 示 ） 。剪 切 帶 的 出 現(xiàn) 表 明 軋 制 過 程中 Zr 60Al15Ni25發(fā) 生 了 非 均 勻變 形 。 圖 3-4 軋 制 變 形 量 =30%的Zr60Al15Ni2

15、5非 晶 樣 品 SEM圖 如 右 圖 ， （ a） 中 明 顯 地顯 示 了 剪 切 帶 的 存 在 。 在 透 射電 鏡 圖 像 中 ， 這 些 剪 切 帶 為 白色 條 帶 ， 這 是 因 為 這 些 區(qū) 域 比周 圍 沒 有 變 形 的 基 體 更 容 易 被電 解 液 腐 蝕 。 在 剪 切 帶 內(nèi) 部 出現(xiàn) 了 相 分 離 甚 至 納 米 晶 化 。 如圖 （ c） 中 白 色 圓 內(nèi) 部 所 示 ，與 基 體 相 比 ， 這 部 分 原 子 取 向相 同 ， 表 現(xiàn) 了 高 度 的 有 序 化 特征 。 變 形 量 為 95%的 軋 制 樣 品HREM 主 要 結(jié) 論 本 文 利

16、 用 XRD、 DSC和 SEM和 HREM等 實 驗 手 段 對 Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 在 室溫 軋 制 過 程 中 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 變 化 及 熱 穩(wěn) 定性 進 行 了 研 究 ， 利 用 自 由 體 積 理 論 就 微觀 結(jié) 構(gòu) 變 化 對 力 學(xué) 性 能 的 影 響 進 行 了 研究 。 主 要 得 到 如 下 結(jié) 論 ： （ 1） 低 應(yīng) 變 速 率 的 軋 制 使 Zr60Al15Ni25非晶 條 帶 出 現(xiàn) 了 剪 切 帶 。 剪 切 帶 內(nèi) 合 金 原子 組 態(tài) 發(fā) 生 了 有 序 化 和 無 序 化 之 間 的 可逆 相 變 。 這 個 過 程 是 擴 散 控 制 的 有 序 化和 剪 切 應(yīng) 力 誘 導(dǎo) 的 無 序 化 兩 個 相 反 過 程競 爭 選 擇 的 結(jié) 果 。 （ 2） 當(dāng) 軋 制 使 非 晶 合 金 更 加 有 序 時 ， 在短 程 有 序 區(qū) 晶 核 更 容 易 形 成 ， 這 造 成 了非 晶 合 金 的 熱 穩(wěn) 定 性 降 低 ， 因 此 經(jīng) 軋 制后 Zr60Al15Ni25非 晶 合 金 更 容 易 發(fā) 生 晶 化 。HREM結(jié) 果 表 明 經(jīng) 軋 制 變 形 的 非 晶 合 金剪 切 帶 內(nèi) 發(fā) 生 了 晶 化 。