材料科學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)用教案

1、軋制(zh zh)對(duì)Zr60Al15Ni25塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的影響第1頁(yè)/共23頁(yè)第一頁(yè)，共24頁(yè)。內(nèi)容提要(ni rn t yo) 論文的提出 文獻(xiàn)(wnxin)綜述 論文研究的目的及意義 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 主要結(jié)論第2頁(yè)/共23頁(yè)第二頁(yè)，共24頁(yè)。論文(lnwn)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(shí)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，并且有望成為制備(zhbi)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(huì)對(duì)材料的各種性能產(chǎn)生明顯的影響。因此，了解塑性變

2、形誘導(dǎo)非晶合金晶化的微觀機(jī)制具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 第3頁(yè)/共23頁(yè)第三頁(yè)，共24頁(yè)。文獻(xiàn)(wnxin)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(tngchng)有高壓壓鑄法、水淬法、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。 第4頁(yè)/共23頁(yè)第四頁(yè)，共24頁(yè)。大塊非晶合金的結(jié)構(gòu)(jigu)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)(jigu)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)(j

3、igu)轉(zhuǎn)變型大塊非晶合金至少有3個(gè)組元，這些組元都為普通金屬元素 第5頁(yè)/共23頁(yè)第五頁(yè)，共24頁(yè)。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)?shù)臈l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(gè)形核和長(zhǎng)大過程，其驅(qū)動(dòng)力為非晶相和結(jié)晶相之間的自由能差。其晶化途徑主要(zhyo)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 第6頁(yè)/共23頁(yè)第六頁(yè)，共24頁(yè)。本文(bnwn)的研究?jī)?nèi)容及意義 研究(ynji)內(nèi)容1）塑性變形對(duì)非晶合金熱穩(wěn)定性的影響，以探討非晶合金機(jī)械穩(wěn)定性與

4、熱穩(wěn)定性區(qū)別與聯(lián)系。2）研究(ynji)了大塊非晶合金的塑性變形機(jī)制。3）研究(ynji)了大塊非晶合金在塑性變形過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化。第7頁(yè)/共23頁(yè)第七頁(yè)，共24頁(yè)。研究意義(yy) 通過科學(xué)評(píng)價(jià)局部熱效應(yīng)與塑性流動(dòng)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(jī)制指明研究方向，從而使得在原子尺度上認(rèn)識(shí)塑性變形過程中合金原子的擴(kuò)散特征更具針對(duì)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)?shù)乃苄宰冃螌?shí)現(xiàn)非晶合金的晶化，從而獲得需要的材料性能。第8頁(yè)/共23頁(yè)第八頁(yè)，共24頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shyn)部分熔煉，銅模吸鑄法原始母合金鑄錠大塊非晶合金軋制處理X

5、-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(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)流程圖第9頁(yè)/共23頁(yè)第九頁(yè)，共24頁(yè)。 合金成分的選擇 原始母合金鑄錠的配制 塊體(kui t)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(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)步驟第10頁(yè)/共23頁(yè)第十頁(yè)，共24頁(yè)。 XRD檢測(cè)( jin c) 掃描電鏡分析（SEM ） 高分辨透射電鏡分析（HREM） DSC測(cè)試 微觀結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)測(cè)試第11頁(yè)/共23頁(yè)第十一頁(yè)，共24頁(yè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ji gu)及分析Zr60Al15Ni2

6、5Zr60Al15Ni25非晶合金軋制后的熱穩(wěn)定(wndng)(wndng)性 非晶合金的穩(wěn)定(wndng)(wndng)性分熱穩(wěn)定(wndng)(wndng)性和機(jī)械穩(wěn)定(wndng)(wndng)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)?shù)臈l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(wndng)(wndng)的亞穩(wěn)非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，這個(gè)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），隨后發(fā)生晶化（放熱過程）。一般用過冷液相區(qū)TxTx來(lái)表征非晶合金的熱穩(wěn)定(wndng)(wndng)性。一般來(lái)說，TxTx越大，表明非晶合金的熱穩(wěn)定

7、(wndng)(wndng)性越好，相應(yīng)合金的玻璃形成能力（GFAGFA）就越大。 第12頁(yè)/共23頁(yè)第十二頁(yè)，共24頁(yè)。 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(dòng)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)有著更有序的原子結(jié)構(gòu)，使其在后來(lái)加熱晶化過程中晶化較為(jio wi)容易。 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%50556065707580軋制變形量 （% ）Te-Tx/KTe-Tx與變化(binhu)關(guān)系圖第13頁(yè)/共23頁(yè)第十三頁(yè)，共24頁(yè)。軋制過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化低應(yīng)變速率(sl)的

8、軋制使Zr60Al15Ni25合金原子組態(tài)發(fā)生了有序化和無(wú)序化之間的可逆相變。整體趨向于有序，發(fā)生了晶化。這個(gè)過程是擴(kuò)散控制的有序化和剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的無(wú)序化兩個(gè)相反過程競(jìng)爭(zhēng)選擇的結(jié)果。第14頁(yè)/共23頁(yè)第十四頁(yè)，共24頁(yè)。660680700720740760780800820840- 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(gè)表征玻璃化轉(zhuǎn)變的吸熱峰和隨后的晶化放熱峰，通過計(jì)算放熱部分的面積，得到各種變形量的晶化放熱焓。放熱焓表征晶化過程中能量變化，因此，可以用來(lái)度量原子的有序或

9、無(wú)序度。放熱焓越大，表明(biomng)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(zh zh)試樣的XRD圖 第15頁(yè)/共23頁(yè)第十五頁(yè)，共24頁(yè)。 右圖中，在變形量為10%時(shí)，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(dòng)，整體趨于減小。需要指出的是，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，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(diǎn)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)(jigu)發(fā)生變化的趨勢(shì)。0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%88929610

10、0104放熱焓（H/Jg-1）軋制變形量 （% ）(b)通過Lorentz模擬得到的相應(yīng)(xingyng)主衍射峰的FWHM值 第16頁(yè)/共23頁(yè)第十六頁(yè)，共24頁(yè)。 右圖為軋制變形量為 = 30 %的Zr60Al15Ni25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Zr60Al15Ni25發(fā)生(fshng)了非均勻變形。圖3-4 軋制變形(bin xng)量 =30%的Zr60Al15Ni

11、25非晶樣品SEM圖第17頁(yè)/共23頁(yè)第十七頁(yè)，共24頁(yè)。 如右圖，（a）中明顯地顯示(xinsh)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?yàn)檫@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(zh zh)樣品HREM 第18頁(yè)/共23頁(yè)第十八頁(yè)，共24頁(yè)。主要(zhyo)結(jié)論 本文利用XRD、DSC和SEM和HREM等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)Zr60Al15Ni25非晶合金在室溫(sh wn)軋制過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，利用自

12、由體積理論就微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。主要得到如下結(jié)論：第19頁(yè)/共23頁(yè)第十九頁(yè)，共24頁(yè)。 （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(wú)序化之間的可逆相變。這個(gè)過程是擴(kuò)散控制的有序化和剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的無(wú)序化兩個(gè)相反過程競(jìng)爭(zhēng)( jngzhng)選擇的結(jié)果。第20頁(yè)/共23頁(yè)第二十頁(yè)，共24頁(yè)。 （2）當(dāng)軋制使非晶合金更加有序時(shí)，在短程有序區(qū)晶核更容易形成，這造成(zo chn)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。第21頁(yè)/共23頁(yè)第二十一頁(yè)，共24頁(yè)。第22頁(yè)/共23頁(yè)第二十二頁(yè)，共24頁(yè)。感謝您的觀看(gunkn)！第23頁(yè)/共23頁(yè)第二十三頁(yè)，共24頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)軋制對(duì)Zr60Al15Ni25塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)