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1、,最近200年来，由于材料的革命使人们改变了世界的方式 第一次材料革命是钢。 第二次材料革命是塑料。 第三次材料革命是,？,金属玻璃,前言 金属玻璃形成机理及其体系 金属玻璃物理性能 金属玻璃熔炼和铸造技术 金属玻璃过冷液相区加工技术 金属玻璃其它成型与制备技术,1.前言,金属玻璃应用及其前景,1.前言,金属玻璃应用及其前景,大块非晶合金,Enlarged knife edge of the blade:(b)Zr based BMG blade and(c)commercial S-15C blade。,1.前言,金属玻璃应用及其前景,BMG-W复合 动能穿甲弹,其穿甲效果可以取代贫铀穿甲弹
2、， 而且重量轻，比较环保,1.前言,金属玻璃应用及其前景,Fe基非晶合金涂层,1.前言,金属玻璃应用及其前景,大块非晶合金的性能 应用领域 1、高强度、高硬度 超微结构材料 2、高冲击破坏能 精密光学部件材料 3、高弹性能 切削、工具材料 4、高耐蚀性 模具材料 5、高耐摩擦性 电极材料、高耐蚀材料 6、高粘性流动性 复合强化材料 7、良好的软磁性能、 软磁材料 8、高磁致伸缩性能 高磁致伸缩材料,1.前言,2.形成机理及体系,金属玻璃,优异力学性能，如高屈服强度、大弹性应变极限、屈服前基本上完全弹性、屈服时基本上完全塑性、无加工硬化现象、高疲劳抗力以及高耐磨性等。 优良的耐腐蚀性，Fe-Cr
3、-Mo-B-P（10000倍）。 优良的软磁、硬磁性。 良好的精密成型性，过冷域超塑性。,长程有序,近程有序，长程无序,普通金属及其合金,金属玻璃,2.形成机理及体系,金属玻璃,2.形成机理及体系,金属玻璃简史,第一次突破（1960） 证实金属玻璃可人工合成， 发明快冷法 非晶态形成理论取得突破. D. Turnbull, P.W. Anderson, Mott；形成非晶物理学科 中国金属玻璃年产量达到万 吨，世界第二,2.形成机理及体系,金属玻璃简史,第二次突破（1990） 90年代初制备出大块非晶合金(0.06 K/s) 95年 应用(Golf球杆等） A. Inoue(日本东北大学)，W
4、.L. Johnson (Caltech),2.形成机理及体系,金属玻璃的形成机理,Fig.2,2.形成机理及体系,金属玻璃的形成机理,Mechanisms for the stabilization of supercooled liquid and the high glass-forming ability fo rthe multicomponent alloys which satisfy the three empirical rules.,2.形成机理及体系,金属玻璃的形成机理,2.形成机理及体系,金属玻璃的形成机理,2.形成机理及体系,金属玻璃体系,2.形成机理及体系,金属玻璃
5、体系,2.形成机理及体系,金属玻璃体系,80多种体系 Zr-, Mg-, Ti-, Fe-, Co-, Nd-, Ce-Pd-, Au-, Pt-,Ln系，La-, Ce-, Pr-, Nd-, Sm-, Gd-, Tb-, Dy-, Ho-, Er-基非晶 二元 (CuZr) 到八元（Fe系） Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4 最大尺寸：10 cm直径 应用最广泛：Zr系， Fe基 形成能力最好：Zr-, Pd-, Ce-BMGs 物理所：10种新体系 （考虑到稀土元素有15种，实际已开发的体系有1000种左右),2.形成机理及体系,金属玻璃体
6、系,2.形成机理及体系,2004年,张博研究出一种新型RE基块体非晶材料，是国际上第一例中国人所开发出的此类材料。NATURE对其意义如此评论这是迄今为止人类开发出的最便于加工成型的合金材料，堪称金属塑料。,3.物理性能,3.物理性能,强度和韧性兼具，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。同时耐磨性也明显地高于钢铁材料。 耐蚀性远优于不锈钢，因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。 具有优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新
7、型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80，被誉为节能的“绿色材料”。此外，使非晶合金部分晶化后可获得1020nm尺度的极细晶粒，因而细化磁畴，产生更好的高频软磁性能。有些非晶合金具有很好的硬磁性能，其磁化强度、剩磁、矫顽力、磁能积都很高，例如 NdFeB非晶合金经部分晶化处理后（1450nm尺寸晶粒）达到目前永磁合金的最高磁能积值，是重要的永磁材料。 明显的催化性能；它还可作为储氢材料。 金属玻璃的力学行为是当前研究的绝对热点，占据了至少70%的研究方向和主力。包括断裂机制及提高塑性等。,3.物理性能,力学及磁性能,3.物理性能,室温非晶合金力学性能,提高强度和塑性是古老而永恒的
8、题目,3. 物理性能,力学性能-高弹性,普通钢： 200 MPa， 特种钢：400700 MPa BMG： 2000 MPa，最高可达：5500 MPa,3. 物理性能,室温非晶合金力学性能-低塑性,BMGshave Achillesheel,3. 物理性能,耐磨性,3. 物理性能,耐磨性,3. 物理性能,耐蚀性,许多非晶态合金具有极佳的抗腐蚀性，这是由于其结构的均匀性，不存在晶界、位错、沉淀相。以及在凝固结晶过程产生的成分偏析等能导致局部电化学腐蚀的因素。,室温非晶合金纳米级塑性,3. 物理性能,TEM,过冷域超塑性,Ce70Al10Cu20 金属塑料开水表现超塑性,La55AL25Ni20
9、,3. 物理性能,4.熔炼与铸造技术,电弧熔炼法,1)电弧熔化观察窗,2)电弧熔化时发出弧光,3)电弧熔化后BMG样本发出亮橙色,4)电弧熔化冷却后的样本,4. 熔炼与铸造技术,电弧熔炼法,4. 熔炼与铸造技术,感应熔化法,1),2),3),4),4. 熔炼与铸造技术,磁悬浮熔炼法,高频感应加热磁悬浮参数：匝数， 电流，频率，放置初始位置， 物料密度等,试样中的感生电动势与外磁场间的斥力与重力抵消，而使试样悬浮；另一方面，试样中的感生涡流又使其加热熔化。随后再充入惰性气体使其冷却，发生玻璃化转变。但是冷却时维持悬浮所必须的感生涡流降低了实际冷却速度，因此这种方法难于制备较大尺寸的非晶合金。,4
10、. 熔炼与铸造技术,水淬法,水淬法,金属模铸造法,4. 熔炼与铸造技术,水淬法,Zr41.2Til3.8Cul2.5Ni10.0Be22.5 电阻丝加热，先抽真空，加热到1123K，保温10min，后充氩气0.2Mpa，保持5min 内径36mm，外径38mm，高度5mm,电火花加工0.5mm环,4. 熔炼与铸造技术,水淬法（熔体快淬法）,高真空熔体快淬火炉 （北京科技大学）,该设备由高真空系统，电阻熔炼系统，冷却系统，以及控制和运动系统组成，整个试验过程在真空密封真空腔内完成。,该自行设计设备能分别实现熔体快淬，真空吸铸和熔体渗铸多种功能，而且吸铸和渗铸模具可自由设计，能够完成这种不同形状构
11、件的成型。,4. 熔炼与铸造技术,水淬法（B2O3）净化法,B2O3纯化法 ：在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中，达到消除异质核心的目的。 对含有P的合金很有效果。对其他非晶形成体系会降低其非晶形成能力。,Pd40 Cu30 Ni10 P20 75 mm 80 mm,4. 熔炼与铸造技术,铜模铸造法,（ High Glass Strength Alloy ） Cu36Zr48Al8Ag8 BGM is enhanced glass forming ability by adding Ag elem
12、ent to decrease inhomogeneous crystallization during solidification.,（ High Corrosion Resistance ） Ti50Cu25Ni15Zr5 Sn5 BMG is a basic alloy to develop new BMG for biomedical use.,4. 熔炼与铸造技术,楔形铜模铸造法,4. 熔炼与铸造技术,倾斜坩埚浇注法,Tilt casting method,4. 熔炼与铸造技术,倾斜坩埚浇铸法工艺特点,4. 熔炼与铸造技术,倾斜坩埚浇铸法,三元共晶合金 Zr50Cu40Al10 B
13、MG, which composition is characterized by ternary eutectic point, exhibits high glass-forming ability. This alloy is the toot of Zr-based BMGs system.,4. 熔炼与铸造技术,倾斜坩埚浇铸法,4. 熔炼与铸造技术,大非晶形成能力的非晶 Zr60Cu20Ni10Al10 BGA, which composition lies along the binary eutectic line with low melting temperature in
14、hypoeutectic composition, exhibits high glass forming ability. This alloy is characterized by good proof against structural relaxation embrittlement.,倾斜坩埚浇铸法,过冷液相区宽度超过127 Zr65Cu17.5Ni10Al7.5 BMG reveals the widest supercooled liquid region over 120 K. This alloy is suitable for use an injection forming over the glass transition temperature.,4. 熔炼与铸造技术,倾斜坩埚模压铸造法优点,Zr50Cu30Ni10Al10 BMG prepared by the conventional squeeze casting (a) and developed squeeze casting processes (b).,4. 熔炼与铸造技术,施加电磁搅拌的倾斜坩埚浇铸法,坩埚倾斜浇铸法中，电磁搅拌具有减小 坩埚底部对合金熔体“晶核污染”的作用,(b),(a),4. 熔炼与铸造技术,
