锆基块体非晶合金弹性性能与玻璃转变和晶化过程研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

块体非晶合金（bulk metallic glasses, bmgs）,也称为块体金属玻璃，具有长程无序、短程有序的晶体结构，没有位错、晶界、成分偏析等缺陷，具有强度高、硬度高、耐磨性好、近净型铸造等优点，并且在过冷液相区具有超塑性，作为新型结构与功能材料，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，引起国内外广泛关注。非晶合金是一种以金属材料为主要组分（金属元素的原子百分比占到70％～100％）、原子堆积结构为长程无序（非晶态）的亚稳态金属材料。1934年，历史上第一次制备出了非晶，德国科学家kramer[1]利用蒸发沉淀的方法在玻璃冷基底上制得。随后，又于1951年通过电沉积法制备出了ni-p和co-p非晶薄膜，主要用于做耐磨、耐腐蚀涂层。1958年，turnbull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研究小组采用熔体快速冷却的方法首次制得了au70si30非晶合金薄带，标志着非晶合金这一新材料领域研究的正式开端。后来，turnbull、陈鹤寿等人在duwez小组制备的au-si和pd-si非晶合金中发现了玻璃转变的存在，同时证明了turnbull之前提出的抑制过冷液体形核的理论作为非晶合金形成能力的判据是有效的，而且是迄今为止最有效的判据之一。到20世纪90年代初，日本东北大学的inoue (井上明久)研究小组和美国加州理工大学的johnson研究小组通过大量研究工作发现了具有极低临界冷却速率(1-100k／s)的多元合金系列，配合控制非均质形核的凝固工艺，在实验室中可直接从液相中获得厘米级的块体非晶合金[2]。从2000年开始，inoue等在块体非晶合金的形成机制、结构、机械强度、化学特性、磁特性及其应用等方面开展了进一步的研究工作，并总结出形成块体非晶合金的成分设计的三条经验准则：（1）块体非晶合金体系一般由三种或三种以上元素组成；（2）主要的三种组成元素之间有大于12％的显著原子半径差异；（3）主要的三种组成元素之间的混合热为负值。 目前国外对于块体非晶合金的研究主要集中在美国和日本。块体非晶合金研究领域在国际学者如火如荼研究的背景下，国内学者也做了许多工作。例如：吕昭平教授[3]于2004年成功制备出直径达12mm的bmg；2007年，中科院物理所汪卫华课题组制备出zr-cu-ni-al块体非晶合金[4]，该成分非晶态合金具有160%的室温压缩应变，同年又制得在开水中具有超塑性的ce基非晶合金[5]。迄今为止，已经研制成功的非晶合金体系主要包括贵金属基、fe基、co基、ni基、zr基、nb基、mo基、镧系金属基、al基和mg基等。金属的晶体结构简单，冷却过程中，原子或离子极为容易按一定的次序排列,形成具有规则外形和一定的物理性质、化学成分的晶体。因此，早期金属溶液只有通过快速冷却才能形成非晶体。直到1975年，贝尔实验室的chen等在冷却速率为103 k／s的条件下，制备出了直径为l-3 mm的pd-cu-si非晶合金棒材。近年来，块体非晶合金制备方法已经取得巨大进展，包括溶剂包敷法、金属膜铸造法、水淬法、喷铸-吸铸法、电弧熔炼吸铸法等。 块体非晶合金综合了传统晶态金属的一些优异性能和传统氧化物玻璃的形成能力。由于不存在位错缺陷，非晶合金表现出具有比与其相应的晶态合金更接近材料理论强度的室温强度，以及高硬度和低的弹性模量。同时，通过利用过冷液相区的粘性流动可以实现近净成型加工。铸态非晶合金表面光亮而且能保持尺寸的准确性，从而避免与晶化相关的收缩。不存在晶界使得非晶合金可以兼具磁、电、化学和润磨性能。除此之外，高耐腐蚀性是非晶合金的另一个优异性能。即使在极端严重的腐蚀环境中，非晶合金依然表现出良好的耐腐蚀性。基于传统金属不具备的独特性能，非晶合金材料已经在许多领域得以应用。 从图1[6]可以看出，大块非晶合金的硬度较之相应的晶体材料大幅度地提高。与图2[6]比较可以发现，大块非晶合金的硬度和强度与杨氏模量的关系变化趋势基本一致，所以大块非晶合金真正体现了材料硬而强的特性。大块非晶合金具有较低的杨氏模量，以zr合金为例，zr基大块非晶合金比普通的zr合金的杨氏模量低很多，这使非晶合金较之相应的晶态金属具有更好的弹性。同时，大块非晶合金较传统的低维非晶合金有较小的泊松比，因此更容易变形。较低的弹性模量和较小的泊松比使大块非晶合金具有较高的弹性伸长率和较高的弹性能。

图1 不同材料硬度与杨氏模量关系[6]

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容1）x射线衍射法研究锆基块体非晶合金zr50cu40-xal10pdx (x=0, 3, 9, 15)和zr67ni20al8cu5的结构。

2）差示扫描量热法研究锆基块体非晶合金zr50cu40-xal10pdx (x=0, 3, 9, 15)和zr67ni20al8cu5的玻璃转变和晶化过程。

3）共振超声波谱法研究锆基块体非晶合金zr50cu40-xal10pdx (x=0, 3, 9, 15)和zr67ni20al8cu5在高频率（约1mhz）、低应力条件下的弹性性能，弹性性能随温度的变化，以及与玻璃转变和晶化过程有关的弹性异常和能量衰减。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。

明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。

确定技术方案，并完成开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

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