基本信息
- 项目名称：
- Y和B元素对Zr基合金玻璃形成能力和力学性能的影响研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 研究稀土元素Y和非金属元素B的添加，对Zr基合金非晶形成能力和力学性能的影响，并在此基础上进一步研究半固态处理过程的塑性相原位析出及其组织演变的动力学机制，探索塑性晶体相对金属玻璃基体的增韧机理，提出塑性相析出的动力学模型及其增韧模型。
- 详细介绍：
- 本课题研究合金成分和半固态处理工艺对锆基铸态内生塑性晶相/BMG复合材料的组织和力学性能的影响。主要内容包括： (1)内生晶体相增韧的非晶复合材料的合金成分设计：重点研究添加合金化元素对Zr基合金的非晶形成能力的影响，找出具有强非晶形成能力的锆基块状非晶合金；并且研究合金成分和冷却速率对内生晶体相的尺寸形貌、体积分数和晶体结构的影响。 (2)内生晶体相增韧的非晶复合材料的半固态处理：重点考察半固态处理的温度和时间对塑性增强相的析出的形核和长大过程的影响。研究合金成分和半固态处理工艺对先析出相和残余液体的体积分数、残余液体的非晶形成能力的影响规律，考察半固态热处理过程中施加电磁搅拌对复合材料中塑性增强相形貌和分布特性的影响；获得合金成分对复合材料的初生相、残余共晶相的影响规律，设计不同体积分数塑性增强相的合金。获得特定合金的液相线TL、共晶温度TE、晶化温度Tx、和玻璃化温度Tg等。 (3)内生晶体相增强相的析出对复合材料的力学性能的影响：重点考察先析相的晶体结构、尺寸形貌和体积分数对非晶基体的塑性的影响规律。研究塑性增强相的力学性能和几何特征对复合材料的断裂行为的影响。研究塑性增强相的力学性能与非晶基体力学性能的匹配关系。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- (1)研究合金成分和冷却速率对内生晶体相的尺寸形貌、体积分数和晶体结构的影响。 (2)研究合金成分和半固态处理工艺对先析出相和残余液体的体积分数、残余液体的非晶形成能力的影响规律，考察半固态热处理过程中施加电磁搅拌对复合材料中塑性增强相形貌和分布特性的影响。 (3)研究塑性增强相的力学性能与非晶基体力学性能的匹配关系。
科学性、先进性及独特之处
- 1）本课题的创新之处在于制备一种塑性相增韧的锆基块状非晶复合材料及其合金成分与复合材料的组织结构和力学性能的关系。 2）本研究的另一创新之处在于复合材料的半固态处理，其特殊之处在于热处理的温度高于固相面（共晶面的温度），在高温条件保温的目的是得到先析出的增强相和于之相平衡的残余液相，先析出的晶相在室温有较高的塑性，残余液体要有强的非晶形成能力。
应用价值和现实意义
- 研究半固态处理过程的塑性相原位析出及其组织演变的动力学机制，探索塑性晶体相对金属玻璃基体的增韧机理，提出塑性相析出的动力学模型及其增韧模型。研究内容涉及制约块状金属玻璃工程应用的关键科学和技术问题，研究结果为非晶复合材料的设计和制备提供理论支持。
学术论文摘要
- 研究稀土元素Y和非金属元素B的添加，对Zr基合金非晶形成能力和力学性能的影响，并在此基础上进一步研究半固态处理过程的塑性相原位析出及其组织演变的动力学机制，探索塑性晶体相对金属玻璃基体的增韧机理，提出塑性相析出的动力学模型及其增韧模型。
获奖情况
- 1.黄文军，寇生中，李娜等.“块体非晶材料的研究动态与发展展望”被中国铸造装备与技术录用，拟于2010年五期发表； 2.寇生中，黄文军，陈延等.“B元素的添加对Zr基合金非晶形成能力和力学性能的影响”被中国铸造装备与技术录用，拟于2010年六期发表; 3.寇生中，黄文军，郑宝超等。“Y元素添加对Zr基非晶形成能力和力学性能的影响”被铸造技术录用，拟于2010年11期发表。
鉴定结果
- 没有
参考文献
- [1] F.E.Luborsky.in Amorphous Metallic Alloys.ed. F.E.Luborsky. London: Butterworths,1983.4 [2] 王一禾，杨膺善编.非晶态合金.北京：冶金工业出版社，1988.346 [3] D. Turnbull, J. Chem. Phys. 20: 411 (1952). [4] D. Turnbull, Metall. Soc. AIME Tran. 221: 422 (1961). [5] W.J. Klement, R.H. Willens, P. Duwez, Nature 187: 869 (1960). [6] H.S. Chen, D. Turnbull, Acta Metall. 17: 1021 (1969). [7] H.S. Chen, Acta Metall. 22: 1505 (1974). [8] A.L. Drehman, A.L. Greer, D. Turnbull, Appl. Phys. Lett. 41: 716 (1982). [9] C.A. Pampillo, J. Mater. Sci. 10: 1194 (1975). [10] A.L. Greer, Nature 366: 303 (1993).
同类课题研究水平概述
- 早在20世纪40年代，Kramer首次报道了用蒸发沉积的方法成功研制出非晶态薄膜。不久Brenner等采用电沉积的方法制备N-P非晶态薄膜。1951年，美国物理学家Turnbull 教授通过水银过冷实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下而不产生形核与长大。随后，他进一步预言，在一定条件下，液态金属也可以发生玻璃态转变形成非晶。1960 年，加州理工学院的Duwez 教授及其同事通过发明的快速淬火技术，制备出了Au75Si25金属玻璃。这就是大家所熟知的世界上首次报道的金属玻璃，标志着一种新型材料的问世。此后，科学家们开展了大量的工作，又发现了很多可以形成玻璃的合金体系。这些工作证实了当初Turnbull 的预言。然而遗憾的是，这些传统金属玻璃体系的玻璃形成能力一般较弱，在极高的冷却速率下仅能制备出微米尺度的薄带或细丝。这在很大程度上限制了金属玻璃的应用，特别是严重阻碍了对其物理、力学等性质的研究。二十世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学的Inoue 教授研究组和美国加州理工学院的Johnson 教授研究组，在此方面取得了重大突破。他们采用所谓的“混乱原则”相继独立发现了一系列多组元的块体金属玻璃（bulk metallic glasses，BMGs），其三维尺寸可以达到毫米甚至厘米级别，而冷却速率甚至可低于1K/s。之后，各种块体金属玻璃如雨后春笋般相继问世，体系几乎涵盖了元素周期表中的大部分元素，并且尺寸不断增大。国内科学家在这方面也取得了显著的成果。例如，中国科学院物理研究所汪卫华研究员EX4 研究组首次成功制备出在开水中具有超塑性的Ce 基（被称为金属塑料）以及其它一系列的稀土基块体金属玻璃。中国科学院金属研究所徐坚教授研究组制备出直径达25mm 的Mg 基金属玻璃。哈尔滨工业大学沈军教授研究组制备出直径达16mm 的Fe 基金属玻璃。清华大学姚可夫教授研究组研制出压缩塑达~5%的Fe基以及超塑性的二元Pd-Si块体金属玻璃。北京科技大学的吕昭平教授在2004 年制备出直径达12mm 的块体结构非晶钢。块体金属玻璃的出现重新燃起了国内外科学家对于玻璃态转变、玻璃结构、宏观特性等一些基本科学问题的研究兴趣。
