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基本信息

項(xiàng)目名稱：
Y和B元素對(duì)Zr基合金玻璃形成能力和力學(xué)性能的影響研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
研究稀土元素Y和非金屬元素B的添加，對(duì)Zr基合金非晶形成能力和力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究半固態(tài)處理過程的塑性相原位析出及其組織演變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，探索塑性晶體相對(duì)金屬玻璃基體的增韌機(jī)理，提出塑性相析出的動(dòng)力學(xué)模型及其增韌模型。
詳細(xì)介紹：
本課題研究合金成分和半固態(tài)處理工藝對(duì)鋯基鑄態(tài)內(nèi)生塑性晶相/BMG復(fù)合材料的組織和力學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容包括： (1)內(nèi)生晶體相增韌的非晶復(fù)合材料的合金成分設(shè)計(jì)：重點(diǎn)研究添加合金化元素對(duì)Zr基合金的非晶形成能力的影響，找出具有強(qiáng)非晶形成能力的鋯基塊狀非晶合金；并且研究合金成分和冷卻速率對(duì)內(nèi)生晶體相的尺寸形貌、體積分?jǐn)?shù)和晶體結(jié)構(gòu)的影響。 (2)內(nèi)生晶體相增韌的非晶復(fù)合材料的半固態(tài)處理：重點(diǎn)考察半固態(tài)處理的溫度和時(shí)間對(duì)塑性增強(qiáng)相的析出的形核和長(zhǎng)大過程的影響。研究合金成分和半固態(tài)處理工藝對(duì)先析出相和殘余液體的體積分?jǐn)?shù)、殘余液體的非晶形成能力的影響規(guī)律，考察半固態(tài)熱處理過程中施加電磁攪拌對(duì)復(fù)合材料中塑性增強(qiáng)相形貌和分布特性的影響；獲得合金成分對(duì)復(fù)合材料的初生相、殘余共晶相的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)不同體積分?jǐn)?shù)塑性增強(qiáng)相的合金。獲得特定合金的液相線TL、共晶溫度TE、晶化溫度Tx、和玻璃化溫度Tg等。 (3)內(nèi)生晶體相增強(qiáng)相的析出對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響：重點(diǎn)考察先析相的晶體結(jié)構(gòu)、尺寸形貌和體積分?jǐn)?shù)對(duì)非晶基體的塑性的影響規(guī)律。研究塑性增強(qiáng)相的力學(xué)性能和幾何特征對(duì)復(fù)合材料的斷裂行為的影響。研究塑性增強(qiáng)相的力學(xué)性能與非晶基體力學(xué)性能的匹配關(guān)系。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

(1)研究合金成分和冷卻速率對(duì)內(nèi)生晶體相的尺寸形貌、體積分?jǐn)?shù)和晶體結(jié)構(gòu)的影響。 (2)研究合金成分和半固態(tài)處理工藝對(duì)先析出相和殘余液體的體積分?jǐn)?shù)、殘余液體的非晶形成能力的影響規(guī)律，考察半固態(tài)熱處理過程中施加電磁攪拌對(duì)復(fù)合材料中塑性增強(qiáng)相形貌和分布特性的影響。 (3)研究塑性增強(qiáng)相的力學(xué)性能與非晶基體力學(xué)性能的匹配關(guān)系。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

1）本課題的創(chuàng)新之處在于制備一種塑性相增韌的鋯基塊狀非晶復(fù)合材料及其合金成分與復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系。 2）本研究的另一創(chuàng)新之處在于復(fù)合材料的半固態(tài)處理，其特殊之處在于熱處理的溫度高于固相面（共晶面的溫度），在高溫條件保溫的目的是得到先析出的增強(qiáng)相和于之相平衡的殘余液相，先析出的晶相在室溫有較高的塑性，殘余液體要有強(qiáng)的非晶形成能力。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

研究半固態(tài)處理過程的塑性相原位析出及其組織演變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，探索塑性晶體相對(duì)金屬玻璃基體的增韌機(jī)理，提出塑性相析出的動(dòng)力學(xué)模型及其增韌模型。研究?jī)?nèi)容涉及制約塊狀金屬玻璃工程應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，研究結(jié)果為非晶復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備提供理論支持。

學(xué)術(shù)論文摘要

研究稀土元素Y和非金屬元素B的添加，對(duì)Zr基合金非晶形成能力和力學(xué)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究半固態(tài)處理過程的塑性相原位析出及其組織演變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，探索塑性晶體相對(duì)金屬玻璃基體的增韌機(jī)理，提出塑性相析出的動(dòng)力學(xué)模型及其增韌模型。

獲獎(jiǎng)情況

1.黃文軍，寇生中，李娜等.“塊體非晶材料的研究動(dòng)態(tài)與發(fā)展展望”被中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)錄用，擬于2010年五期發(fā)表； 2.寇生中，黃文軍，陳延等.“B元素的添加對(duì)Zr基合金非晶形成能力和力學(xué)性能的影響”被中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)錄用，擬于2010年六期發(fā)表; 3.寇生中，黃文軍，鄭寶超等。“Y元素添加對(duì)Zr基非晶形成能力和力學(xué)性能的影響”被鑄造技術(shù)錄用，擬于2010年11期發(fā)表。

鑒定結(jié)果

沒有

參考文獻(xiàn)

[1] F.E.Luborsky.in Amorphous Metallic Alloys.ed. F.E.Luborsky. London: Butterworths,1983.4 [2] 王一禾，楊膺善編.非晶態(tài)合金.北京：冶金工業(yè)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).

同類課題研究水平概述

早在20世紀(jì)40年代，Kramer首次報(bào)道了用蒸發(fā)沉積的方法成功研制出非晶態(tài)薄膜。不久Brenner等采用電沉積的方法制備N-P非晶態(tài)薄膜。1951年，美國(guó)物理學(xué)家Turnbull 教授通過水銀過冷實(shí)驗(yàn)，提出液態(tài)金屬可以過冷到遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)以下而不產(chǎn)生形核與長(zhǎng)大。隨后，他進(jìn)一步預(yù)言，在一定條件下，液態(tài)金屬也可以發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變形成非晶。1960 年，加州理工學(xué)院的Duwez 教授及其同事通過發(fā)明的快速淬火技術(shù)，制備出了Au75Si25金屬玻璃。這就是大家所熟知的世界上首次報(bào)道的金屬玻璃，標(biāo)志著一種新型材料的問世。此后，科學(xué)家們開展了大量的工作，又發(fā)現(xiàn)了很多可以形成玻璃的合金體系。這些工作證實(shí)了當(dāng)初Turnbull 的預(yù)言。然而遺憾的是，這些傳統(tǒng)金屬玻璃體系的玻璃形成能力一般較弱，在極高的冷卻速率下僅能制備出微米尺度的薄帶或細(xì)絲。這在很大程度上限制了金屬玻璃的應(yīng)用，特別是嚴(yán)重阻礙了對(duì)其物理、力學(xué)等性質(zhì)的研究。二十世紀(jì)80 年代末90 年代初，日本東北大學(xué)的Inoue 教授研究組和美國(guó)加州理工學(xué)院的Johnson 教授研究組，在此方面取得了重大突破。他們采用所謂的“混亂原則”相繼獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一系列多組元的塊體金屬玻璃（bulk metallic glasses，BMGs），其三維尺寸可以達(dá)到毫米甚至厘米級(jí)別，而冷卻速率甚至可低于1K/s。之后，各種塊體金屬玻璃如雨后春筍般相繼問世，體系幾乎涵蓋了元素周期表中的大部分元素，并且尺寸不斷增大。國(guó)內(nèi)科學(xué)家在這方面也取得了顯著的成果。例如，中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究員EX4 研究組首次成功制備出在開水中具有超塑性的Ce 基（被稱為金屬塑料）以及其它一系列的稀土基塊體金屬玻璃。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所徐堅(jiān)教授研究組制備出直徑達(dá)25mm 的Mg 基金屬玻璃。哈爾濱工業(yè)大學(xué)沈軍教授研究組制備出直徑達(dá)16mm 的Fe 基金屬玻璃。清華大學(xué)姚可夫教授研究組研制出壓縮塑達(dá)~5%的Fe基以及超塑性的二元Pd-Si塊體金屬玻璃。北京科技大學(xué)的呂昭平教授在2004 年制備出直徑達(dá)12mm 的塊體結(jié)構(gòu)非晶鋼。塊體金屬玻璃的出現(xiàn)重新燃起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變、玻璃結(jié)構(gòu)、宏觀特性等一些基本科學(xué)問題的研究興趣。
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