毕业实习报告

毕 业 实 习 报 告

学校：学院：专业：班级：学号：姓名：日期：河南理工大学 材料科学与工程学院材料成型及控制工程焊接07-5班

2011.04.05

一：对非晶的认识

金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，

原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。但如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。

非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。

正是因为非晶材料这样一系列优良特性，国内外均对其开展了系统性的理论与应用研究，国内对非晶合金的研究从1976年开始，国家科委一直将非晶合金的研究、开发、产业化列入重大科技攻关项目。在国际上，美日等西方发达国家也开展了大量的基础性研究。经过几十年的科研攻关，非晶材料的产业化应用取得了长足的进步，国内安泰科技股份有限公司，日本日立公司在非晶材料生产方面具有较强优势。同时，在下游产业，采用美国通用电气技术的置信电气已经成为国内目前最大的非晶合金变压器生产企业。

大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、薄带等)而言的，具有较大的三维几何尺寸。固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列，表现为短程有序、长程无序，呈亚稳态结构，而且在一定温度范围内还可以相对稳定地保持这种结构。另外研究发现大块非晶合金在过冷液相区具有超塑性，也为大块非晶合金的塑性成型和加工提供了可能。

自非晶合金问世以来，提高非晶成形能力，即得到大尺寸的非晶样品一直是人们努力追求的主要目标之一。在常规的冷却条件

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下，合金熔体在冷却过程中总是很快结晶而形成晶体结构的固体，一般需要采用至少105K／s以上的冷却速度来冷却合金熔体，才能制备出厚度在几十到上百微米的薄带状金属玻璃。最近lO年来，对金属玻璃的研究获得了很大的进展，人们可以在多个合金体系获得毫米甚至厘米级尺寸的块状金属玻璃。

二：非晶的发展历程

关于非晶态合金的首次报导是在1938年，Kramen通过蒸发沉积在玻璃冷基底上发现了非晶态金属薄膜；1951年，Brenner等用电沉积法制备出了Ni-P及Co-P非晶合金，主要用于做耐磨和耐腐蚀涂层；1958年，Tumbull等人通过对氧化物玻璃、陶瓷玻璃和金属玻璃的相似性的分析，确定了液态过冷对非晶形成的影响，预言了合成非晶的可能性，揭开了非晶研究的序幕；1960年，Duwez等采用熔体急冷法首先制得了Au70Si30非晶薄带，由于他从工艺上突破了制备非晶态金属和合金的方法，因而标志着非晶态合金这一新材料研究领域的启动。后来，Turnbull、陈鹤寿等人在Duwez小组制备的Au-Si和 Pd-Si, Pd-Cu-Si非晶合金中证实了玻璃转变的存在。Turnbull先前提出的抑制过冷液体形核的理论作为非晶形成能力的判据被证明是有效的，而且是迄今为止最有效的判据之一。1969年陈鹤寿等将含有贵金属元素Pd的具有较高非晶形成能力的合金（Pd-Au-Si，Pd-Ag-Si等），通过B2O3反复除杂精炼，得到了直径1mm的球状非晶合金样品；1989年日本东北大学的Inoue等通过水淬法和铜模铸造法制备出毫米级的La-Al-Ni大块非晶合金；90年代初，T.Masumoto和A.Inoue等发现了具有极低临界冷速的多元合金系列，通过控制非均质形核的工艺，可在实验室里直接从液相获得大块非晶合金；1994年，根据非晶形成的三项经验法则设计出了一系列的大块非晶合金；1997年以来，日本东北大学的范沧和井上明久等研究发现，在三元

Zr基(Zr-Cu-Al)合金系中分别加人

Pd-Ti-Ni-Nb等元素均可得到一系列的大块非晶合金；2000年以来，A.Inoue等进一步对大块非晶合金的形成机制、结构、机械强度、

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化学特性、磁性和应用展开了广泛的研究。

三：国内外研究综述

我国对非晶合金的研究从1976年开始，国家科委一直将非晶

合金的研究、开发、产业化列入重大科技攻关项目。“九五”期间，组建了“国家非晶微晶合金工程技术研究中心”，建立了“千吨级非晶带材生产线”，非晶态合金的产业化进程大大加快，现已初步形成非晶态合金科研开发和应用体系。国内关于大块非晶合金的研究主要集中于中科院物理所、金属所，现在各大学也加大了对非晶的研究力度。

近年来，在非晶的研究领域中，中国科学家已成为该领域的一支重要力量，国内许多研究组一直在从事非晶以及相关物理问题的研究，在结构、物性、制备、应用研究等方面有较雄厚的实力。现在已经可以制备出多种有自主知识产权的大尺寸块体非晶体，并在块体非晶结构、形成规律、力学和物理性能以及应用开发等方面做出了很多有特色的工作，引起国际同行的广泛关注和重视。

中国科学院物理研究所汪卫华研究组在非晶方面的研究近年来取得了重大进展，其主要工作集中在稀土基非晶的制备和力学性能的研究上；中国科学院金属研究所张哲峰等人主要研究不同非晶材料的拉伸和压缩变形与断裂特征，还总结了不同非晶材料在拉伸和压缩及断裂时的不对称性；清华大学姚可夫等人采用玻璃包覆提纯技术和水淬及空冷方法制备了Pd—Si二元非晶球形样品；西安交通大学张临财等人讨论了第二相对Zr基非晶复合材料力学性能的影响；哈尔滨工业大学黄永江等人研究了Ti 4 2_ Zr ． Cu 。Ni Sn 块体非晶的形成、热稳定性与力学性能；华中科技大学谌祺等人制备了zr基块体非晶并研究了块体非晶和复合材料在过冷液态区内的单向压缩变形行为。山东大学郭晶等人采用真空回转振动式高温熔体粘度仪测量了Gd基大块非晶形成合金过热液体的粘度，并计算得到过热液体脆性参数；北京科技大学惠希东等人对Zr基非晶的原子结构进行了研究，重点讨论了玻璃结构中的短程与中程有序结

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构，张勇等人研究了合金化对大块非晶合金及高熵合金的组织与性能的影响；大连理工大学程旭等人利用团簇线和微合金化方法研究了Fe—B—Y—Nb四元合金体系中块体非晶合金的形成；燕山大学徐涛等人通过原位x射线衍射测量结构参数方法，研究了Fe 。Cu¨Nd。Si B。非晶合金的热力学结构弛豫。目前国外关于大块非晶合金的研究主要集中在日本和美国，尤其是日本东北大学材料研究所的井上明久和美国的Johnson研究小组。合金系列涉及到过渡金属一类金属系、锆基、钼基、镁基等，研究方法覆盖了从模铸法到水淬、粉末冶金、区域熔炼等多种方法。块体非晶合金研究是日本文部省1998年最大的研究项目；2000年美国陆军拨款3000万美元，用于块体非晶的研究；此外，2000年欧共体也专门立项，组织欧洲10个重要实验室联合攻关。

四：非晶合金的性能

高拉伸强度

下图为不同材料的杨氏模量和拉伸强度的关系。可以发现在相同杨氏模量的情况下，非晶材料的拉伸强度远远强于传统金属材料，而且Mg基非晶合金的密度小，比强度度很高，有非常好的航空航天应用的前景。

高硬度

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下图为不同材料杨氏模量和硬度的关系，类似于拉伸强度，可以发现非晶材料具有硬而强的特点。

塑性和韧性

室温下非晶合金一般呈现脆性断裂特征,塑性变形量主要由应力状态决定。在拉伸条件下，非晶合金的变形局限于一个狭窄的剪切带内,塑性变形也集中于剪切带内，而在试样其他部分仍保持刚性状态。在弯曲条件下可产生多个剪切带，相应地增大了伸长率。

大块非晶的锯齿流变现象在大块非晶的压缩、剪切、弯曲以及纳米压印实验中均有发现。图

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为宏观压缩条件下

Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10.0Ti5.0大块非晶合金的压缩应力—应变曲线。在一定加载条件下出现显著的锯齿流变现象。

大块非晶合金压缩应力应变曲线（部分） 其他性能

非晶合金具有长程无序结构，但与液体的无序相比，它还有一

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些短程有序的短程序畴组成。与普通多晶材料和传统低维非晶材料不同，非晶合金在受热发生晶化之前会有一个宽的过冷液相区ΔTx.过冷液相区是具有非晶形成能力的合金所特有的,只要合金的非晶形成能力强，那么无论它是大块的,还是低维的非晶薄带。

非晶合金在过冷液相区内发生晶化之前，具有被“冻结”的液态结构，具有一定的粘性。并且具有超塑性，所以非晶合金具有很好的近终型成型能力，就是利用这一特点，直接在液态时成型。

非晶合金内部不存在晶界、沉淀相相界、位错等容易出现的成分偏析，所以在结构和成分上更为均匀。具有很好的抗腐蚀能力，其抗腐蚀能力为晶态不锈钢的100倍。

五：非晶合金的制备

早期开发的非晶材料都是薄带状，应用受到很大限制。90

年

代以来，随着制备技术的发展，非晶合金的尺寸越做越大，已经进入大块非晶的时代。在诸多的制备方法中，主要有直接凝固法，粉末冶金法，和其他方法。

5.1：直接凝固法

以往针对大直接凝固法是先将母合金熔配均匀，然后采用提纯和快冷的方式使合金液在短时间内急冷成形,该法的主要优点是制备简便、制备周期短，但是所制备的合金的尺寸在很大程度上受合金非晶形成能力的限制。直接凝固法主要有：水淬法、铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、挤压铸造法、磁悬浮熔炼、静电悬浮熔炼等等早期开发的非晶材料。

5.2：喷射成型法

合金熔化后将装有熔融合金的石英玻璃管下降到金属模具的浇口附近，然后向石英玻璃管中通入一定压力的惰性气体，将合金液射入金属模腔内获得大块非晶合金。世界上首次报道的La-Al-Ni大块非晶合金就是用该方法制备的。作者采用该方法成功制备出厚度为1.0~1.5 mm的板状Fe60Co8Zr10Mo5W2B15大块非晶合金。下图为两种不同注入方式制备大块非晶合金的示意图。

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喷射成型法示意图

5.3：吸铸法

采用吸铸法制备大块非晶合金时使用漏斗型石英玻璃管，用石英玻璃塞堵住玻璃管的漏斗口，合金熔化后提起玻璃塞，同时从金属模具底部抽真空，熔融金属在差压的作用下瞬间充满型腔。由于吸铸法中使用的漏斗型石英玻璃管细端设计较长，可以直接插入金属模具的浇口，这样既避免了熔化合金时模具被加热，同时也可以有效地将合金液导入模腔。下图为吸铸法工作示意图。

图为吸铸法工作示意图

5.4：模具移动法

该制备方法的工作原理如下图所示。母合金被感应加热熔化后,向石英管内通入一定压力的惰性气体，使熔融的合金液连续注入到以一定速度移动的水冷铜模表面的凹槽中，快速凝固形成非晶合金棒材,若水冷铜模的移动方式为旋转式，则可连续制备出一定直径的非晶合金线材。

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图为模具移动法工作示意图

5:5：压力铸造法

压力铸造法制备大块非晶合金的工作原理如图所示，母合金在惰性气体保护下经感应加热熔化后，启动液压装置推动柱塞将熔融合金注入金属型模腔。由于该制备方法的充型过程在毫秒内即可完成，使得熔融合金与金属模之间的充填更紧密，合金通过金属模获得的冷却速度更大，同时压力对晶体成核和晶核长大所必需的原子长程扩散具有抑制作用，因而提高了合金的非晶形成能力，可以实现高质量复杂形状非晶合金的精密铸造。

图为压力铸造法示意图

非晶粉末固结成型法

直接凝固法虽然有工艺简单的优点，但从原理上讲对合金成分要求较高，而且如果合金体系的非晶形成能力较低，也难以制备大块非晶。而粉末固结成型法则对冷却速度的要求较低，突破了冷却速度对非晶合金尺寸的限制，可以制备尺寸更大的大块非晶合金。 采用固结成形法制备大块非晶材料的首要条件是合金在加热时存在一个较宽的过冷温度区间，对于高非晶形成能力的合金而言，其低的非晶形成临界冷速使之具有更小的晶化驱动力，因而在过冷度

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区间有更高的热稳定性。采用非晶粉末固结成形法制备大块非晶材料首先要制备非晶粉末。粉末制备有惰性气体雾化法、球磨法等。

先通过雾化法制得非晶粉末，然后将获得的非晶粉末收集起来过筛，筛掉较大粒度的可能发生晶化的颗粒。将过筛之后的颗粒进行真空热挤压，获得一定的致密度，然后将预挤压的试样进行包套、除气、焊合。最后的挤压过程要控制以下工艺参数:压头的压力、压头的速度以及挤压的温度，确保被挤压试样在过冷温度区问发生牛顿流动，获得超塑性能，使粉末能够完全弥和在一起。

非晶粉末冶金固结成型工艺流程示意图

5.6：爆炸烧结

爆炸粉末烧结是利用激波作用于金属或非金属微晶或非晶粉末，在瞬态、高温、高压下发生烧结的一种新技术。爆炸烧结的机理是用爆炸产生的冲击波对需要烧结的粉末加载，使粉末受到冲击,并产生高速运动,在瞬时内运动的粉粒通过碰撞和摩擦使动能转变成热能，从而使粉粒的接触点产生高温发生烧结而形成致密块体。 爆炸烧结技术比较适合于硬度较高的金属粉末,它具有烧结时间短(一般为几十微秒)，作用压力大(可达0. 1~100 GPa)的特征。爆炸烧结的优点：①具备高压性，可以烧结出近乎密实的材料；②具备快熔快冷性,有利于保持粉末的优异特性；③具备经济、设备简单的特点。爆炸烧结以非晶粉末为原料，但由于技术原理和非晶态合金特

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点的限制，存在不同程度的粉末颗粒流变不充分的现象，故无法充分排除粉粒表面氧化膜，很难使粉末间达到完美的结合。爆炸烧结之前的粉末预处理(表面氧化膜的去除和表面改性等)方法和工艺有待进一步的研究。

5.7：爆炸焊接

爆炸焊接是利用炸药爆炸的能量将多层非晶条带固结成块的高能率加工技术。爆炸焊接的基本原理：多层金属板以一定的间隙支持起来做为基板；当均匀放在复板上的炸药被雷管引爆后，爆炸波将一部分能量传给复板，由于基板和复板的高速、高压和瞬时的撞击，在它们的接触面发生许多物理和化学变化过程，使它们焊接在一起。李晓杰曾采用爆炸焊接对100层铁基非晶薄带固结成非晶块体爆炸焊接过程中的温度场和沉能机制进行了研究。

六：非晶材料的应用及前景

大块非晶材料具有优秀的能力，可以充分但当结构材料的重任。目前主要的应用领域有：

运动器材，比如高尔夫球杆的球头部分，一些网球拍和棒球球棒。

精密齿轮，由于大块非晶材料在过冷液相区具有的超塑性成性能力和很好的硬度、抗腐蚀能力，在一些精密的齿轮中也有很好的应用。

弹簧，大块非晶具有很好的弹性。

大块非晶材料还在传感器、航空航天部件上有所应用。 大块非晶合金还具有优秀的化学性能和磁学性能，大块非晶在储氢材料和电磁性能方面都有良好的应用。

此外大块非晶还具有很好的生物性能，目前已经有大块非晶手术刀的出现，在替代骨骼方面也有优秀的发展前景。

大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能使之在机械、通讯、航空航天、汽车工业、化学工业、运动器材乃至国防军事上具有广泛的应用潜力。大块非晶合金可用于制做机械结构材料、精密光学

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材料、模具材料、工具材料、切削工具材料、电极材料、耐腐蚀材料、储氢材料、装饰材料、复合材料、运动器材材料及软磁材料等。利用其在过冷温度区间的超塑成形能力，可以进行微型零件及微型模具的成形，并实现复杂形状零件的近终成形。

近年来对非晶合金进行了广泛的研究，取得了很大的进展,已突破昔日贵金属的限制，许多日常重要的工程合金系统如Fe、Co、Ni和Cu等都可制备出块体非晶合金，这为其实际应用创造了条件，如今工程应用也已逐步兴起。但作为一类新型的材料，非晶合金仍处于研究探索阶段，在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决。这也是广大科学工作者所坚持不懈所要解决的问题。

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