锆基块体非晶-纳米晶复合材料制备及组织结构和机械性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础，是直接推动社会发展的动力。随着人类社会的进步和科学技术的发展，传统的晶态合金材料已经不能满足人类在某些专项领域对于材料的需要。传统合金材料提供了较高的硬度和耐磨性，有些金属还会作为反应催化剂出现。但是传统金属材料在实际使用时总是会有强度或者塑性上的缺失，而非晶合金材料则是集多种优点于一身的新型材料。块体非晶合金相比传统的晶态合金，具有独特的综合力学性能，如较高强度、高硬度以及良好的塑性等^[1]。在高性能结构材料、生物医药材料、微型精密器件、运动器材、武器装备、电子产品等方面具有广阔的应用前景。经过几十年的不懈研究，已经取得了丰硕的研究成果，块体非晶合金也成为金属材料领域最热门的研究领域之一。

非晶合金是指固态合金中原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内保持这种状态相对稳定的合金^[2]。非晶合金在微观结构上具有长程无序、短程有序的结构特点，即原子在空间排列上不呈现对称性或者周期性，但在微小尺度内配位数、键长、键脚等各参数又具有一定的规律性^[3]。块体非晶合金的制备方式多种多样，常用电弧熔炼的手段将母合金熔化后吸入铜模中得到直径毫米级的棒状块体非晶合金，极大的冷却速率会使得融化的母金保持原有的结构特征直至形成非晶态合金^[4]。

锆基非晶合金中的元素通常包括锆、铜、铝、镍、钛等。为了调整锆基非晶合金的性能, 通常在合金中还加入少量过渡族元素（如Co , Pt, Fe ,Mo , Ag ,Nb , Pd等）以及其它一些合金元素（如Be, Si, B, C等）。常见的锆基块体非晶合金包括Zr-Cu, Zr-Cu-Ni, Zr-Al-Cu，Zr-Cu-Ti, Zr-Cu-Al-Ni，Zr-Cu-Al-Ni-Ti, Zr-Fe-Cr,Zr-Al-Ni-Pt等^[5]。

锆基非晶合金的玻璃化温度T_g 约为650 K , 晶化温度T_x 约为730 K , 过冷区ΔT_x 约为80 K , 其约化玻璃温度T _rg约为0.59。当锆基非晶合金的成分发生变化时, 其T_g , T_x , ΔT_x 及T_rg都会发生变化, 有时差异还相当大。

已有大量文章^[6-11]从不同的角度对非晶合金的研究和发展进行了评述，并且非晶合金良好的机械性能也是各国研究人员关注的焦点。与传统的晶态合金相比, 非晶合金的室温力学性能具有高的抗拉强度、低的弹性模量、弹性极限可达2% (晶态合金一般为0.2%)、很高的冲击断裂性能等^[12]，此外，非晶合金还具有良好的延展性、耐磨性和抗腐蚀性^[13]。

2006年，杨元政等人对Zr₅₇Cu_15.4Ni_12.6Al₁₀Nb₅非晶合金在不同温度下保温20min发现其显微硬度随热处理温度的升高总体呈增大趋势。在较低温度下热处理，非晶合金主要发生应力松弛和结构弛豫，会导致硬度的稍微下降；而在较高温度下，非晶合金会出现相分离或晶化现象，细小的第二相会产生强化作用（图1）^[14]。2015年，Rongrong Wang等人对经过不同温度热处理的Zr₅₆Al₁₆Co₂₈非晶合金进行了X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)测试，发现随温度升高，非晶合金中会长出越来越多、越来越大的晶粒，在衍射图谱上形成明显的衍射峰（图2）^[15]。

图1 Zr₅₇Cu_{l5 4}Ni_l26Al_1oNb₅块体非晶合金及其经不同温度等温热处理20 min后的显微硬度^[14]

图2 经680 K，800 K和973 K温度热处理后Zr₅₆Al₁₆Co₂₈的X射线衍射图形^[15]

同年，HuaZhong等人在进行Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5的相互摩擦研究时对该非晶合金进行了X射线衍射测试和差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)测试，得到该非晶合金的玻璃化转变温度和晶化温度等信息（图3、图4）^[16]。另外，S.S Chen和I.Todd在对不同Nb含量的非晶合金复合材料的研究中发现Nb0.5非晶合金的塑性变形区域得到很大提升（图5）^[17]。

图3 Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5针和盘状试样的XRD图谱^[16]

图4 Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5针和盘状试样的DSC曲线^[16]

图5 在非晶合金中加入Nb₀，NB_0.3和Nb_0.5非晶合金，加入Nb_0.5后材料塑性变形区域明显增大^[17]

锆基块体非晶合金具有优异的非晶形成能力和力学性能。本课题以锆基非晶合金Zr₅₀Cu_40-xAl₁₀Pd_x为主体，利用热处理手段使合金内部产生纳米级晶粒，制成课题所需锆基非晶-纳米晶复合材料，利用差示扫描量热法、X射线衍射、扫描电镜（ScanningElectron Microscopy, SEM），能谱分析（EnergyDispersive X-ray Spectroscopy， EDX）、显微硬度测量等方法研究锆基块体非晶-纳米晶复合材料的组织结构和机械性能，并探讨热处理条件（包括热处理温度和保温时间等）的影响。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、材料制备：以锆基非晶合金zr₅₀cu_40-xal₁₀pd_x为主体材料，通过热处理手段制备锆基非晶-纳米晶复合材料。

2、材料表征：对锆基非晶-纳米晶复合材料进行组织结构和性能的测试。通过xrd、sem/edx等对其组织结构，形貌及元素成分进行分析；采用dsc测试方法确定其玻璃转变温度和结晶温度；并测量显微硬度。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文文献翻译。明确研究内容，了解研究所需材料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：热处理法制备锆基非晶-纳米晶复合材料。

第7－10周：采用dsc、xrd、sem/exd、显微硬度测量等方法研究锆基非晶-纳米晶复合材料组织结构与机械性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张玲, 詹肇麟, 李莉. zr基非晶合金力学性能的研究进展[j]. 材料热处理技术, 2008, 37(16): 103–107.

[2] 陈延,黄文军, 尚沙沙,等. 锆基块体非晶合金力学性能的研究进展[j]. 上海有色金属, 2011,32(2): 79–83.

[3] 邢秋玮. 锆基非晶合金力学性能影响因素的研究[d].兰州：兰州理工大学, 2003.