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本科生课程论文(2013-2014学年第二学期)大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状曾昭源提交日期：2014、6、2 学生签名：曾昭源大块非晶合金超塑性成形技术及研究现状曾昭源摘要：与晶态合金相比，大块非晶合金成形出来的零件在表面光洁度、强度、硬度、冲击断裂性能以及耐腐蚀性等方面具有十分明显的优势。
但是大块非晶合金的高强度、高硬度的特点使得其在室温下机加工困难、可塑性差、延伸率几乎为零，这大大制约了非晶合金的广泛应用。
超塑性成形方法是利用大块非晶合金在过冷液相区下呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态而表现出优良的塑性的特点，实现对大块非晶合金的塑性加工。
本文从大块非晶合金的超塑成形原理、影响非晶合金超塑性的因素以及该技术在精细零部件中的应用等方面对大块非晶合金超塑性成形技术进行综述，介绍大块非晶合金在上述三方面的研究现状，指出目前研究主要考虑了温度和应变速率对大块非晶合金超塑性的影响，而对应力应变状态、加热速率等研究却很少涉及。
同时说明了理论体系建立落后于实验研究是目前大块非晶合金超塑成形技术的主要问题。
关键词：大块非晶合金；过冷液相区；超塑性成形；温度；应变速率；精细零部件1 大块非晶合金超塑性成形机理及其特点大块非晶合金是指在结构上具有长程无序、短程有序和各向同性的特点，其原子在空间排列上不具有周期性和平移性，不存在晶态合金所特有的各种晶体缺陷的一类合金。
[1]大块非晶合金在热力学上属于亚稳态材料，当温度升高时，会发生玻璃化转变，进而发生晶化反应。
在玻璃转化温度与晶化开始温度之间存在一个50 ~150C 的温度区间，这个区间被称为过冷液相区。
正是这一特殊区域的存在，使大块非晶合金可以在保持类似于液体结构的同时表现出具有一定粘度的与氧化物玻璃极为相似的性质，呈现牛顿粘性流动状态或近似的牛顿粘性流动状态，表现出优良的超塑性能。
[2]因此，对于大块非晶合金，所谓的超塑性成形是指把合金的温度控制在过冷液相区的塑性成形。
文章编号:100622793(2002)0420056203Zr基大块非晶合金的制备及力学性能①孙剑飞1,2,陈德明1,沈 军2,梁立孚1,刘殿魁1(11哈尔滨工程大学,哈尔滨 150001;21哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001)摘要:采用石墨坩埚电弧熔炼法制备了直径20mm、长90mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金;利用DSC和DTA测试了不同升温速度下非晶合金过冷液相区ΔT x和约化玻璃温度T r,分析了约化玻璃温度T r值与非晶形成能力间的关系;力学性能测试结果表明,该非晶合金具有远高于相关晶态金属的抗拉强度(1808MPa)、抗弯强度(3700MPa)、维氏硬度(580)以及良好的弹性(E=98GPa),并从微观结构角度对非晶态合金的优异性能机制进行了初步分析。
关键词:大块非晶合金+;制备;约化玻璃温度+;力学性能中图分类号:TG14 文献标识码:APreparation and mechanical properties of Z r41.2Ti13.8 Cu12.5Ni10B e22.5bulk amorphous alloySUN Jian2fei1,2,CHEN De2ming1,SHEN J un2, L IAN G Li2fu1,L IU Dian2kui1∥11Harbin Engineering U2 niversity,Harbin 150001,China;21Harbin Institute of Tech2 nology,Harbin150001,China1Abstract:Bulk amorphous Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5alloy up to 20mm in diameter and90mm in length was prepared successfuly by using graphite crucible in arc melting process1Thermal analysis with DSC and DTA was made to show the effect of heating rate on supercooled liquid regionΔT x and the relationship between reduced glass transition temperature T r and glass forming ability of alloys illustrated1Tests of mechanical properties for the bulk amorphous alloys show high tensile strength(1808MPa),high flexural strength(3700MPa),high Vickers2hardness(580)and good elas2 ticity(E=98GPa)1The mechanism governing the excellent prop2 erties from the point of view of microstructure is analyzed1K ey w ords:bulk amorphous alloy+;preparation;reduced glass transition temperature+;mechanical property1 引言大块非晶合金因其独特的微观结构,具有晶态合金所无法比拟的机械性能,如高强度、高硬度、高弹性、高的断裂韧性与耐蚀、耐磨性,在航天、航空领域具有巨大的潜在应用前景。
块体非晶合金材料的性能、应用以及展望引言：非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。
固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。
与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。
一、非晶合金的发展历程自1960 年加州理工学院的P.Duwez 小组采用液态喷雾淬冷法以106K/s 的冷却速率从液态急冷获得Au-Si 非晶合金以来，人们主要通过提高冷却速度的方法来获得非晶态结构。
由于受到高的临界冷却速率的限制，只能获得低维的非晶材料（非晶粉、丝、薄带等），这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。
20 世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学（Tohoku University）的T.Masumoto 和A.Inoue 等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金系列，如Mg-TM-Ln，Ln-AI-TM，Zr-AI-TM，Hf-AITM ，Ti-Zr-TM（Ln 为铡系元素，TM 为过渡族元素）。
1993 年W.L.Johnson 等人发现了具有临界冷却速率低达1K/s 的Zr 基大块非晶合金。
经过二十多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别，现在已经有6 个体系（锆基: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5， Zr55Al10Ni5Cu30；铂基：Pd40Cu30Ni10P20；钇基：Y36Sc20Al24Co20；钯基：Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5；镁基：Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11）临界尺度达到了20mm。
对非晶态的大量研究表明，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能以及磁性能。
鉴于大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能以及在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，大块非晶合金的研制就具有重要的技术和经济价值，是一个具有广阔发展前景的研究领域。
大块非晶合金的几种常用的制备方法由于受非晶形成能力的限制，长期以来非晶合金主要以粉末，细丝，薄带等低维材料的形式使用。
大块非晶合金材料的出现是非晶合金材料制备技术的巨大进步，大块非晶合金材料常用的具体的制备方法有以下几种：1．氩弧炉熔炼法将各组分混合后利用氩弧炉直接炼制非晶制品。
此法只能炼制尺寸较小的非晶样品，且非晶样品的形状一般为纽扣状，不易加工成型。
另外此法对合金体系的非晶形成能力要求高，否则样品或样品的心部不能形成非晶，样品和坩埚直接接触的底部有时未完全熔化，可成为结晶相与成的核心，也易出现结晶相。
氩弧炉的熔炼温度很高，经常用于炼制前的混料过程，即首先用氩弧炉炼制出易形成非晶的合金，然后用其他快冷方法得到大块非晶合金。
2．石英管水淬法将大块非晶合金的配料密封在抽成真空的石英管中，加热后水淬冷却，获得大块非晶合金。
如果合金中有高熔点组成，可先在氩弧炉中混料制成合金后再封装到石英管中。
此法的优点是设备投资小，封装石英管的部门很容易找到，且易得到尺寸较大的圆柱形大块非晶棒。
缺点是每制备一次非晶样品均须封一次石英管，且淬火时石英管要被破坏。
石英管水淬法在非晶合金的科学研究中常用。
为提高淬火时的冷却能力，也可将试样封在不锈钢管中水淬，用这种方法也可制备出异型样品。
3．铜模铸造法此法是在加热装置的下方设置一水冷铜模，非晶合金组分熔化后靠吸铸或其他方法进入水冷铜模冷却形成非晶。
此法虽然要求有专门的设备，但由于冷速较高能制备较大尺寸的非晶样品，而且可用不同的模具制备出不同形状的非晶样品，也可制备形状复杂的非晶样品。
铜模铸造法，尤其是带有吸铸装置的，由于有这些优点而被广泛应用。
4．定向区域熔炼法定向区域熔炼法的冷却速度可由固液界面的移动速度和炉内的温度梯度的乘积来确定，这种方法要求用于制备非晶合金的原始材料在成分上是均匀的，且非晶形成能力较强。
能够用这种方法制备大块非晶合金意味着可以用连续的方法制备出大尺寸异形的非晶样品。
大块非晶合金变形机制及本构行为大块非晶合金是一种新型金属材料，独特的原子结构赋予其不同于普通晶态金属的优异性能，如高强度、高硬度、耐腐、耐磨、易于近净形加工成形等。
本文采用石墨坩埚电弧熔炼方法制备了Zr<sub>41.2</sub>Ti<sub>13.8</sub>Cu<sub>12.5</sub>Ni<sub>10</sub>Be< sub>22.5</sub>大块非晶合金，利用自由体积模型对变形机制进行了分析，对其所应遵循的屈服准则进行了研究，推导了相关屈服准则的塑性本构方程。
取得了以下主要研究成果：改进了电弧熔炼铜模吸注成形制备大块非晶合金工艺，利用石墨坩埚熔炼，制备出了尺寸为Φ20×90mm的Zr<sub>41.2</sub>Ti<sub>12.8</sub>Cu<sub>12.5</sub>Ni<sub>10</sub>Be< sub>22.5</sub>大块非晶合金样品，通过X射线衍射分析、透射电镜观察以及热参数测定，确定所制备材料的非晶性质。
依据Speapen自由体积模型的流变方程并将自由体积浓度作为参数，通过数值计算，分析了大块非晶合金均匀变形过程中，剪应力和自由体积浓度之间的变化规律和相互作用关系，以及应变速率对均匀变形的影响；研究了非均匀变形剪切带的形成机理，由于材料内部自由体积分布不均匀，导致局部自由体积浓度增加速度较快，粘度相对降低，出现局部软化，最终沿剪切方向产生应变集中，形成剪切带。
通过对Zr<sub>41.2</sub>Ti<sub>13.8</sub>Cu<sub>12.5</sub>Ni<sub>10</sub>Be< sub>22.5</sub>大块非晶合金压缩试验锯齿流变的研究，引入面积比（A<sub>s</sub>／A）作为参数，计算出随应变能的增加，剪切带形成过程中的局部升温逐渐增大，当温度达到或超过合金玻璃转变温度，局部粘度会大幅度降低，剪切阻力减小，弹性应变能促使剪切带进一步扩展，并最终断裂。
非晶合金形成规律及大块非晶合金制备工艺研究1.引言非晶合金是指由两种或两种以上的金属元素组成的非晶结构合金，由于其具有优异的物理和化学性质，如高强度、高韧性、耐腐蚀等，因此在诸多领域中有着广泛的应用前景。
非晶合金的形成过程是一个很具有挑战性的问题，也是目前材料学中的研究热点之一。
本文将介绍非晶合金的形成原理及其制备工艺。
2.非晶合金的形成原理非晶合金的形成方式主要分为几种，包括快速凝固法、非平衡固溶法、快速竞争合成法等。
这些方法的共性在于快速冷却、形成高度不规则的结构，在获得非晶结构的同时也限制了其最大尺寸，使其只能形成薄膜或细粉末等形态。
3.大块非晶合金制备工艺与此相对，要得到大块的非晶合金，需要采用更为特殊的方法，包括快速固化铸造、轧制、挤压等方法。
下面以快速固化铸造法为例介绍其制备工艺。
3.1快速固化铸造法快速固化铸造法是目前较为成熟的制备大块非晶合金的方法。
其原理是在高温下将合金液体熔融后，在短时间内将其迅速冷却成非晶态。
快速固化的方式主要有单个表面冷却法、内部冷却法、紫外激光辅助冷却法、水冷却法等。
3.2铸模设计在快速固化铸造法中，铸模的设计和制备是制备高质量非晶合金的关键。
通常使用石膏模进行制备，但石膏模的质量较差，易导致制品表面粗糙，影响质量。
因此，需要通过优化设计和加工工艺来提高铸模的质量。
3.3工艺参数的优化快速固化铸造法的成功实现不仅依赖于合金本身的成分和熔化条件，还与冷却速率、表面温度控制等工艺参数的优化密不可分。
合理的工艺参数能够保证合金快速冷却、形成非晶态，并在保证金属液相不发生结晶的情况下，实现尽可能大的块状非晶化成分。
4.结论因其高强度和耐磨性，非晶合金成为了当前工业应用中的一种主要材料。
快速固化铸造法是目前制备大块非晶合金的主流方法之一，而该方法的成功应用依赖于合金成分的得当选取、铸模的优化设计和制作以及良好的工艺参数控制。
未来更具挑战性的研究方向可能包括探索新的合金组成、设计更为合理的快速固化装置以及提升合金在制备过程中的稳定性。
大块非晶合金的研究进展大块非晶合金的研究进展摘要本文简述了大块非晶合金的发展过程和该领域的最新研究进展,并从成分结构条件、热力学条件、动力学条件等方面阐述了大块非晶合金的形成机制,介绍了目前常用的制备方法、大块非晶合金优异的性能和应用前景.关键词大块非晶合金，形成机制，制备，性能，应用THE RESEARCH PROGRESS OF BULK METALLIK GLASSESABSTRACT The development history and the research status of bulk amorphous alloys are int roduced ,and method of preparation is discussed in detail1 The forming mechanisms in terms of st ructure , thermodynamics and kinetics are described. The good properties and application of the bulk amorphous materials are also summarized.KEY WORDS bulk amorphous alloys，forming mechanisms，preparation，properties , application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。
大块非晶合金是一种高性能的结构材料,也是极具潜力的功能材料。
1 大块非晶合金的发展历程关于非晶态合金的首次报道是在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[1 ,2 ]；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Au70 Si30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。
