第五章-非晶态合金制备技术

2019/11/5材料成型及控制工程教研组1第5章非晶态合金制备技术图5-1液态金属结晶开始时间与过冷度的关系2019/11/5材料成型及控制工程教研组2第5章非晶态合金制备技术图5-2气体、固体、液体的原子分布函数2019/11/5材料成型及控制工程教研组3第5章非晶态合金制备技术图5-3晶体与非晶体在变形机理上的区别2019/11/5材料成型及控制工程教研组4第5章非晶态合金制备技术图5-4晶体与非晶合金在30℃HCl溶液中腐蚀速度2019/11/5材料成型及控制工程教研组5第5章非晶态合金制备技术（a）移动石英玻璃管后射流（b）直接射流图5-5喷射成型法制备大块非晶合金示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组6第5章非晶态合金制备技术（a）直线移动法（b）旋转盘法图5-6模具移动法制备大块非晶合金示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组7第5章非晶态合金制备技术图5-7压力铸造法制备大块非晶合金示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组8第5章非晶态合金制备技术（a）铜模（b）试样图5-8铜模和试样示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组9第5章非晶态合金制备技术图5-9楔形铜模型中不同位置的冷速比较2019/11/5材料成型及控制工程教研组10第5章非晶态合金制备技术图5-10喷铸—吸铸技术制备块体玻璃设备工艺简图2019/11/5材料成型及控制工程教研组11第5章非晶态合金制备技术图5-11水浮法制备块体玻璃的工作原理示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组12第5章非晶态合金制备技术图5-12电弧加热吸铸法制备大块非晶合金的示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组13第5章非晶态合金制备技术图5-13模压铸造法制备大块非晶合金示意图2019/11/5材料成型及控制工程教研组14表5-1铝基非晶合金和其他合金的抗拉强度、比强度材料类型抗拉强度бb/MPa比强度/（×106/cm)非晶态合金11403.8超硬铝5201.9马氏体钢18902.4钛合金11002.42019/11/5材料成型及控制工程教研组15表5-2非晶态合金的主要特性及其应用性质特性举例应用举例强韧性屈服点E/30~E/50；硬度500~1400HV刀具材料、复合材料、弹簧材料、变形检测材料等耐腐蚀性耐酸性、中性、碱性、点腐蚀、晶间腐蚀过滤器材料、电极材料、混纺材料等软磁性高磁导率，低铁损，饱和磁感应强度约1.98T磁屏蔽材料、磁头材料、热传感器、变压器材料、磁分离材料等磁致伸缩饱和磁致伸缩约60×10-6，高电力机械结合系数约0.7振子材料、延迟材料等2019/11/5材料成型及控制工程教研组16第5章非晶态合金制备技术式中，为单位体积的单原子数目；v为频率因子；k为Boltzmann常数；T为绝对温度；D为有效扩散系数；为晶胚必须克服的激活能；I为形核速率。根据经典形核理论，形核功表达式为式中，为晶核与熔体间的界面能；为液固相自由能差，即结晶驱动力。(5-1)0N*G(5-2)1sG2*13163sGG*0expGINDkT2019/11/5材料成型及控制工程教研组17式中，a0为扩散跳跃的平均原子或离子直径；为粘度，可以通过Volgel-Fulcher方程进行计算。式中，△Hf为T0温度下的熔化焓；△Sf为T0温度下的熔化熵；T0为液相与晶体相平衡的温度；为等压比热容。式中，A为与温度无关的频率因子；为每个原子的势垒高度；为发生反应所需的临界构形熵；T为温度；K为常数。(5-3)001110()()spTTssffTpTCTGTHSTCTdTdTT(5-4)1spC(5-5)*cS303kTa*()expccStAKTS2019/11/5材料成型及控制工程教研组18式中，A为常数：K为常数；Vf为自由体积。均匀成核率与生长率可表示为式中，，；K为Boltzmann常数；a0为平均原子直径；Nv为Avogadro常数；Tm为熔点温度；f为界面上原子优先附着或者移去的位置分数。(5-6)(5-7)(5-8)(5-9)rmTTT1rrTTexpfkAV3413xIUt3320161exp33()rrNvkTIaTT201exp3rrfkTTUaT2019/11/5材料成型及控制工程教研组19urnball等认为，在简化条件α=αmTr，其中αm为一常数，是T=Tm时的α值，取αm=0.86，此时均匀成核率也可简化为(5-10)(5-11)(5-12)(5-13)13()VmNHmmHRT3.3g3.3410expmTTT2316exp3nrmrKTIT式中，R为气体常数。式中，△Hm为摩尔熔化焓。对于非晶，计算粘度:式中，Kn为形核率系数。2019/11/5材料成型及控制工程教研组20这样，将方程式（5-8）、式（5-13）代入方程式（5-7）就可以计算得出达到x=10-6所需要的时间t为式中，Tm为合金的熔点；Tn为TTT曲线极值点所对应的温度；tn为TTT曲线极值点所对应的时间。(5-14)(5-15)32903301.024exp9.321exprrvmrTTaxtkTfNHTRTmncnTTRt2019/11/5材料成型及控制工程教研组21式中，n为合金的组元数；Ci为第i组元的摩尔百分数；ri为第i组元的共价原子半径；xi为第i组元的Pauing电负性。式中，ei是第i组元元素的价电子数。对于过渡族金属，ei等于s电子与d电子之和；对于含有p电子的元素，ei等于s电子与p电子之和。其中（5-16）其中（5-17）其中(5-18)1niiirCr1niiixCx211niiirCr21niiixCxx1313131niiinCee1niiinCe2019/11/5材料成型及控制工程教研组22(5-19)(5-20)(5-21)(5-22)(5-23)其中(5-24)其中(5-25)11niiixLCx1niiiWCrr11niiirWCr311niniirCr1niiiLCxx11331niiiYCee11mnirmiimTTCT1niiieCeimimTCT式中，是第i组元的熔点，其余符号的意义同前。imT2019/11/5材料成型及控制工程教研组23式中，为熔液在温度厂时的粘度；Tg为熔液的玻璃化转变温度。式中，为温度时的熔液粘度；为液相线温度TL时的熔液粘度。(5-26)(5-27)(5-28)(5-29)TLTmax1.527.8436.4319995.35475.5525.1511.1rmnInDLLTWWY10.81136.15177.69333.76288.2148.6417.38crmnInRLLTWWYlgggTTdmdTTLLLTTTTMTT2019/11/5材料成型及控制工程教研组24其中0expvBEAkT0mhAv式中，A0为指前因子，与合金种类有关；Vm为流动单元体积；KB为Boltzmann常数；h为Planck常数；Ev为流动单元在熔液中从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时所需要克服的激活能。(5-30)2019/11/5材料成型及控制工程教研组25根据式(5-30)，Meng等人将式(5-29)简化为：式中，x为合金系的种类；n为同一合金系中所研究的具体合金数目；为第i个合金在液相线温度时的粘度(mPa·s)。(5-31)其中(5-32)LivBLEMkTvxBLEMkT4110nxLiin在式(5-31)的基础上提出一个改进的过热熔液脆性参数M*：2019/11/5材料成型及控制工程教研组26Trg=Tg/Tm式中，Tg为合金的玻璃转变温度；Tm为合金的固相线温度。过冷液相区宽度△Tx被定义为起始晶化温度Tx与玻璃转变温度Tg的差，即：△Tx=Tx-Tg表征合金GFA的最新参数φ:参数φ包括了参数Trg和△Tx.(5-33)(5-34)0.143XgrggTTTT(5-35)2019/11/5材料成型及控制工程教研组27为了简化，取Tg/Tx和T1/Tx两个参数的平均值，则得到因此，Lu定义一个新参数来表征GFA，即1xgxggTTTTT11,gxxTTGFATT(5-37)(5-36)1xgTGFATT1xgTTT(5-38)(5-39)2019/11/5材料成型及控制工程教研组28目前所发现的BMGs的临界冷却速度Rc及临界直径值Dmax与其γ值分别存在以下统计关系：(5-40)(5-41)215.110exp117.19cR7max2.0810exp41.70D