材料制備新技術(shù)許春香第五章非晶態(tài)合金制備技術(shù)復(fù)習(xí)資料

1、材料制備新技術(shù)許春香第五章非晶態(tài)合金制備技術(shù)復(fù)習(xí)資料22021/1/4圖圖5-1 液態(tài)金屬結(jié)晶開(kāi)始時(shí)間與過(guò)冷度的關(guān)系液態(tài)金屬結(jié)晶開(kāi)始時(shí)間與過(guò)冷度的關(guān)系5.1.1 非晶態(tài)的形成非晶態(tài)的形成獲得非晶態(tài)的主要途徑：獲得非晶態(tài)的主要途徑：1）低臨界冷卻速率的合金系統(tǒng)；）低臨界冷卻速率的合金系統(tǒng)；2）發(fā)展快速冷卻的技術(shù)。）發(fā)展快速冷卻的技術(shù)。32021/1/4 圖圖5-2 氣體、固體、液體的原子分布函數(shù)氣體、固體、液體的原子分布函數(shù)5.1.1 非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性和短程有序性結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性和短程有序性 熱力學(xué)的亞穩(wěn)定性熱力學(xué)的亞穩(wěn)定性42021

2、/1/4表 圖5-1鋁基非晶合金和其他合金的抗拉強(qiáng)度、比強(qiáng)度5.1.3 非晶態(tài)合金的性能非晶態(tài)合金的性能 優(yōu)異的力學(xué)性能優(yōu)異的力學(xué)性能材料類(lèi)型材料類(lèi)型抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度比強(qiáng)度比強(qiáng)度/（106)非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金11403.8超硬鋁超硬鋁5201.9馬氏體鋼馬氏體鋼18902.4鈦合金鈦合金11002.452021/1/4圖圖5-3 晶體與非晶體在變形機(jī)理上的區(qū)別晶體與非晶體在變形機(jī)理上的區(qū)別 特殊的物理性能特殊的物理性能62021/1/4圖圖5-4 晶體與非晶合金在晶體與非晶合金在30溶液中腐蝕速度溶液中腐蝕速度 優(yōu)良的耐腐蝕性?xún)?yōu)良的耐腐蝕性72021

3、/1/45.2 大塊非晶合金形成的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則大塊非晶合金形成的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則5.2.1 混亂原則混亂原則5.2.2 三條經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則三條經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則1）多組元體系組成應(yīng)該超過(guò)）多組元體系組成應(yīng)該超過(guò)3種元素；種元素；2）主要組元元素在原子的尺寸方面應(yīng)該有明顯不同（）主要組元元素在原子的尺寸方面應(yīng)該有明顯不同（12%)；3）主要成分元素具有負(fù)的混合熱。）主要成分元素具有負(fù)的混合熱。其中，在多成分合金體系中，滿(mǎn)足的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則：其中，在多成分合金體系中，滿(mǎn)足的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則：1）原子構(gòu)造具有高的隨機(jī)堆垛密度；）原子構(gòu)造具有高的隨機(jī)堆垛密度；2）新型的局域原子結(jié)構(gòu)與相應(yīng)晶相的原子結(jié)構(gòu)不同；）新型的局域原子結(jié)構(gòu)與相應(yīng)晶

4、相的原子結(jié)構(gòu)不同；3）在長(zhǎng)程方面具有多成分均勻的原子結(jié)構(gòu)。）在長(zhǎng)程方面具有多成分均勻的原子結(jié)構(gòu)。5.2.3 二元深共晶點(diǎn)計(jì)算法二元深共晶點(diǎn)計(jì)算法82021/1/4（a）移動(dòng)石英玻璃管后射流 （b）直接射流 圖5-5噴射成型法制備大塊非晶合金示意圖5.3 非晶合金的制備方法非晶合金的制備方法主要采用技術(shù)：溶劑包覆法、金屬膜冷卻法、水淬法、電弧加熱法、電弧熔煉吸鑄法和定向凝固主要采用技術(shù)：溶劑包覆法、金屬膜冷卻法、水淬法、電弧加熱法、電弧熔煉吸鑄法和定向凝固法等法等5.4.1 溶劑包覆法溶劑包覆法5.4.2 金屬膜冷卻法金屬膜冷卻法1）噴射成形法）噴射成形法92021/1/4 （a）直線移動(dòng)法）直

5、線移動(dòng)法 （b）旋轉(zhuǎn)盤(pán)法）旋轉(zhuǎn)盤(pán)法 圖圖5-6模具移動(dòng)法制備大塊非晶合金示意圖模具移動(dòng)法制備大塊非晶合金示意圖2）模具移動(dòng)法）模具移動(dòng)法102021/1/4圖圖5-7壓力鑄造法制備大塊非晶合金示意圖壓力鑄造法制備大塊非晶合金示意圖3）壓力鑄造法）壓力鑄造法112021/1/4 （a）銅模）銅模 （b）試樣）試樣 圖圖5-8 銅模和試樣示意圖銅模和試樣示意圖4）金屬銅模鑄造法）金屬銅模鑄造法圖圖5-9 楔形銅模型中不同位置的冷速比較楔形銅模型中不同位置的冷速比較122021/1/4 圖圖5-10 噴鑄噴鑄吸鑄技術(shù)制備塊體玻璃設(shè)備工藝簡(jiǎn)圖吸鑄技術(shù)制備塊體玻璃設(shè)備工藝簡(jiǎn)圖5）噴鑄）噴鑄-吸鑄法吸鑄法

6、132021/1/4圖圖5-11 水浮法制備塊體玻璃的工作原理示意圖水浮法制備塊體玻璃的工作原理示意圖5.4.3 水淬法水淬法142021/1/4圖圖5-12電弧加熱吸鑄法制備大塊非晶合金的示意圖電弧加熱吸鑄法制備大塊非晶合金的示意圖5.4.4 電弧加熱法電弧加熱法1）金屬（銅）模吸鑄法）金屬（銅）模吸鑄法152021/1/4圖圖5-13 模壓鑄造法制備大塊非晶合金示意圖模壓鑄造法制備大塊非晶合金示意圖2）模壓鑄造法）模壓鑄造法162021/1/45.4.5 電弧熔煉吸鑄法電弧熔煉吸鑄法5.4.6 定向凝固法定向凝固法172021/1/4表表5-1 鋁基非晶合金和其他合金的抗拉強(qiáng)度、鋁基非晶合

7、金和其他合金的抗拉強(qiáng)度、比強(qiáng)度比強(qiáng)度材料類(lèi)型材料類(lèi)型抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度比強(qiáng)度比強(qiáng)度/（106)非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金11403.8超硬鋁超硬鋁5201.9馬氏體鋼馬氏體鋼18902.4鈦合金鈦合金11002.4182021/1/4表表5-2 非晶態(tài)合金的主要特性及其應(yīng)用非晶態(tài)合金的主要特性及其應(yīng)用性質(zhì)性質(zhì)特性舉例特性舉例應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例強(qiáng)韌性強(qiáng)韌性屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)3050；硬度；硬度5001400刀具材料、復(fù)合材料、彈簧刀具材料、復(fù)合材料、彈簧材料、變形檢測(cè)材料等材料、變形檢測(cè)材料等耐腐蝕性耐腐蝕性耐酸性、中性、堿性、點(diǎn)腐蝕、耐酸性、中性、堿性、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕晶間腐蝕過(guò)濾器材料、電極材料、混過(guò)濾器材

8、料、電極材料、混紡材料等紡材料等軟磁性軟磁性高磁導(dǎo)率，低鐵損，飽和磁感應(yīng)高磁導(dǎo)率，低鐵損，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約強(qiáng)度約1.98T磁屏蔽材料、磁頭材料、熱磁屏蔽材料、磁頭材料、熱傳感器、變壓器材料、磁分傳感器、變壓器材料、磁分離材料等離材料等磁致伸縮磁致伸縮飽和磁致伸縮約飽和磁致伸縮約6010-6，高電，高電力機(jī)械結(jié)合系數(shù)約力機(jī)械結(jié)合系數(shù)約0.7振子材料、延遲材料等振子材料、延遲材料等192021/1/4非晶態(tài)合金制備技術(shù)非晶態(tài)合金制備技術(shù) 式中， 為單位體積的單原子數(shù)目；v為頻率因子；k為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；D為有效擴(kuò)散系數(shù)； 為晶胚必須克服的激活能；I為形核速率。 根據(jù)經(jīng)典形核理論，形核功表達(dá)式為

9、 式中， 為晶核與熔體間的界面能； 為液固相自由能差，即結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。(5-1)0N*G(5-2)1 sG2*13163sGG*0expGINDkT202021/1/4 式中，a0為擴(kuò)散跳躍的平均原子或離子直徑； 為粘度，可以通過(guò)方程進(jìn)行計(jì)算。 式中，為T(mén)0溫度下的熔化焓；為T(mén)0溫度下的熔化熵；T0為液相與晶體相平衡的溫度； 為等壓比熱容。 式中，A為與溫度無(wú)關(guān)的頻率因子； 為每個(gè)原子的勢(shì)壘高度； 為發(fā)生反應(yīng)所需的臨界構(gòu)形熵；T為溫度；K為常數(shù)。(5-3) 001110( )( )spTTssffTpTCTGTHS TCT dTdTT (5-4) 1 spC(5-5) *cS303kTa*( )

10、expccStAKTS212021/1/4 式中，A為常數(shù)：K為常數(shù)；為自由體積。 均勻成核率與生長(zhǎng)率可表示為 式中， ， ；K為常數(shù)；a0為平均原子直徑；為常數(shù)；為熔點(diǎn)溫度；f為界面上原子優(yōu)先附著或者移去的位置分?jǐn)?shù)。 (5-6) (5-7) (5-8) (5-8) (5-9) (5-9) rmTT T1rrTT expfkAV3 413xIU t3320161exp33()rrNvkTIaTT 201exp3rrfkTTUaT222021/1/4 等認(rèn)為，在簡(jiǎn)化條件=，其中m為一常數(shù)，是時(shí)的值，取0.86，此時(shí)均勻成核率也可簡(jiǎn)化為(5-10) (5-11) (5-12) (5-13) 1 3

11、()VmNHmmHRT3.3g3.3410expmTTT2316exp3nrmrKTIT 式中，式中，R為氣體常數(shù)。為氣體常數(shù)。式中，為摩爾熔化焓。式中，為摩爾熔化焓。對(duì)于非晶，計(jì)算粘度對(duì)于非晶，計(jì)算粘度:式中，為形核率系數(shù)。式中，為形核率系數(shù)。232021/1/4 這樣，將方程式（5-8）、式（5-13）代入方程式（5-7）就可以計(jì)算得出達(dá)到10-6所需要的時(shí)間t為 式中，為合金的熔點(diǎn)；為曲線極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度；為曲線極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。(5-14) (5-15) 32903301.024exp9.321exprrvmrTTa xtkTf NHTRTmncnTTRt242021/1/4 式中

12、，n為合金的組元數(shù)；為第i組元的摩爾百分?jǐn)?shù)；為第i組元的共價(jià)原子半徑；為第i組元的電負(fù)性。 式中，是第i組元元素的價(jià)電子數(shù)。對(duì)于過(guò)渡族金屬，等于s電子與d電子之和； 對(duì)于含有p電子的元素，等于s電子與p電子之和。 其中其中 （5-16） 其中其中 （5-17） 其中其中 (5-18) 1ni iirC r1niiixC x211niiirCr21niiixCxx 1 31 31 31niiinC ee1ni iinC e252021/1/4(5-19) (5-20) (5-21) (5-21) (5-22) (5-23)其中其中 (5-24) 其中其中 (5-25)11niiixLCx1nii

13、iWC rr11niiirWCr311niniirCr1niiiLC xx11331niiiYC ee11mnirmiimTTCT1niiieC eimimTCT 式中， 是第i組元的熔點(diǎn)，其余符號(hào)的意義同前。imT262021/1/4 式中， 為熔液在溫度廠時(shí)的粘度；為熔液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。 式中， 為溫度時(shí)的熔液粘度； 為液相線溫度時(shí)的熔液粘度。 (5-26)(5-27) (5-28) (5-28) (5-29) TLTmax1.527.8436.4319995.35475.5525.1511.1rmnInDLLTWWY 10.81 136.15177.69333.76288.2148.6

14、417.38crmnInRLLTWWY lgggTTdmd TT LLLT TTTMT T272021/1/4 其中0expvBEAk T0mhAv 式中，式中，A0為指前因子，與合金種類(lèi)有關(guān)；為為指前因子，與合金種類(lèi)有關(guān)；為流動(dòng)單元體積；為常數(shù)；流動(dòng)單元體積；為常數(shù)；h為為常數(shù)；為流動(dòng)單元在熔液中從一個(gè)平衡位置移動(dòng)常數(shù)；為流動(dòng)單元在熔液中從一個(gè)平衡位置移動(dòng)到另一個(gè)平衡位置時(shí)所需要克服的激活能。到另一個(gè)平衡位置時(shí)所需要克服的激活能。(5-30)282021/1/4 根據(jù)式(5-30)，等人將式(5-29)簡(jiǎn)化為： 式中，x為合金系的種類(lèi)；n為同一合金系中所研究的具體合金數(shù)目； 為第i個(gè)合金在液

15、相線溫度時(shí)的粘度(s)。 (5-31) 其中其中 (5-32) LivBLEMk TvxBLEMk T4110nxLiin 在式在式(5-31)(5-31)的基礎(chǔ)上提出一個(gè)改進(jìn)的過(guò)熱的基礎(chǔ)上提出一個(gè)改進(jìn)的過(guò)熱熔液脆性參數(shù)熔液脆性參數(shù)M M* *： 292021/1/4 = 式中，為合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度；為合金的固相線溫度 。 過(guò)冷液相區(qū)寬度被定義為起始晶化溫度與玻璃轉(zhuǎn)變溫度的差，即： = 表征合金的最新參數(shù): 參數(shù)包括了參數(shù)和 .(5-33) (5-34) (5-34)0.143XgrggTTTT(5-35) 302021/1/4 為了簡(jiǎn)化，取 和 T1 兩個(gè)參數(shù)的平均值，則得到 因此，定義一個(gè)新參數(shù)來(lái)表征，即1