铜基非晶合金的制备及纳米力学性能研究开题报告

铜基非晶合金的制备及纳米力学性能研究开题报告本文简介：南京工程学院毕业设计开题报告课题名称：铜基非晶合金的制备及纳米力学性能研究学生姓名：黄浩指导教师：皮锦红所在系部：材料工程学院专业名称：金属材料工程南京工程学院2014年3月7日说明1．根据南京工程学院《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教

铜基非晶合金的制备及纳米力学性能研究开题报告本文内容：

南京工程学院

毕业设计开题报告

课

题

名

称：

铜基非晶合金的制备及纳米

力学性能研究

学

生

姓

名：

黄

浩

指

导

教

师：

皮锦红

所

在

系

部：

材料工程学院

专

业

名

称：

金属材料工程

南京工程学院

2014

年

3

月

7

日

说

明

1．根据南京工程学院《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。

2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。

3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。

4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应在3000字左右，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。

5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名

黄浩

学

号

205100815

专

业

金属材料工程

指导教师姓名

皮锦红

职

称

副教授

所在系部

材料工程学院

课题来源

院级基金课题

课题性质

工程技术研究

课题名称

铜基非晶合金的制备及纳米力学性能研究

毕业设计的内容和意义

1

主要内容：

（1）查阅中外文资料，整理资料、外文翻译，完成开题报告。

（2）总结归纳文献关于铜基非晶合金的制备方法及其纳米力学性能的研究。

（3）确定设计实验方案。

（4）熟练设备，制备系列铜基块体非晶试样，观测、确认合金的非晶结构。

（5）测量非晶合金的纳米力学性能。

（6）分析、讨论非晶合金的变形、断裂机理。

（7）整理实验数据，按格式要求撰写毕业设计论文及相关电子文档。

2

意义：

随着科技的不断发展以及生活水平的不断提高，材料的需求量越加增大，在社会发展中的地位也越来越重要，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。非晶合金的研究开始于上个世纪50年代，因为其特有的性能而越来越受到人们的关注，并在90年代得到了迅速发展。其中的铜基块状非晶在具有很高强度、硬度的同时，表现出一定的压缩塑性；在具有较高的玻璃形成能力、相对低的成本的同时，表现出很好的耐蚀、耐磨性。并且已在机械、化工、宇航、军工、体育器材等行业得到了广泛应用。与合金材料相比，非晶材料的高强韧性、耐蚀性以及优良的磁性能，可能成为未来工程上的新型高性能工程材料。本次毕业设计利用真空熔炼吸铸法制备系列铜基块体非晶合金，并认真观察、确认其非晶结构，测量其相应的纳米力学性能。毕设中所要求的实验难度以及工作量都很大，制备试样之前需要做好一切准备工作，因此通过本次毕业设计在学习能力和工作意志等方面都将会得到很好的锻炼。

文献综述

1

引言

随着科技的发展和社会生活水平的不断提高，材料在各行各业中消耗量不断增大，资源问题变得日益严重，新型材料的开发与利用迫在眉睫。因此从20世纪50年代开始，很多新型非晶态材料不断的涌现出来。其中之一的非晶合金更是受到了人们极大的关注。非晶态材料已成为支撑现代经济的一类重要工程材料，他们对经济和社会的发展起着举足轻重的作用，除了人们日常生活中大量采用的玻璃材料外，在高技术领域，非晶态物质已大量用于光通讯、激光、光集成、新型太阳能电池、高效磁性和输电材料[1]。非晶合金与其他非晶材料一样，其内部原子在三维空间中的排排列上不是呈现平移对称性和周期性，而呈现的是原子的混乱排列。非晶合金原子的这种混乱排列情况与玻璃类似，故又称为金属玻璃。以铜基非晶合金为例，正因非晶合金的微观结构具有的独特无序性，使得铜基非晶合金材料具有独特的力学性能，如强度高，韧性好，良好的耐蚀、耐磨性以及优异的磁性能。这也是非晶态材料能够受到众多研究人员、学者、以及国家研究机构关注的重要因素。成为了现代材料科学研究的一个重要组成部分。非晶态材料的获得可以采取两种方式：（1）由熔融状态物质在凝固过程中不发生结晶而形成；（2）物质原子通过强变形、机械合金化、离子束混合或气象沉积等方法形成。由于铜基非晶材料在很多行业中具有广阔的应用前景，优越的性能且原料来源价格低廉，使得对材料进行研究，提高材料潜能及寿命的探索具有重要意义。

2

非晶合金的概念

非晶合金是由超急冷凝固，合金凝固时原子的来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，合金中原子间通过金属键相结合，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。所以保留了许多与金属相关的特性但不存在晶态合金具有的晶界、位错和堆垛层错等晶体缺陷。这一特性对于材料的性能来说具有巨大的影响。在没有缺陷影响的情况下，非晶合金材料有可能达到其理论强度、硬度。使得非晶合金材料具有超高强度、硬度、耐磨性等。

3

非晶合金的发展历程

非晶态材料的使用具有很长的历史，人类很早以前天然橡胶就属于非晶材料，塑料和非晶合金的发现给非晶态材料的发展带来了巨大的影响。1938年，Kramer首次报道了用气相(蒸发)沉积法获得非晶态合金。1951年，Bremler等人利用电沉积法成功制备了Ni．P非晶态合金薄膜，并作为表面涂层用于金属表面防护[2]。随着科技的不断发展，很多新型非晶态合金材料于20世纪50年开始不断涌现，1958年，T1lnlbun等人讨论了液态过冷到玻璃态的影响，从此非晶合金的研究热潮不断，受到了人们的极大关注。在非晶态材料的整个发展历程中，我国的许多科学家也做了很多研究工作，在工艺、制备以及性能研究等方面有了很大的突破。如中科院金属所制备的铜基非晶合金具有超高强度和良好的塑性。

4、铜基非晶合金的制备方法

非晶态材料或晶态材料的制备环节具有关键性作用。是本次毕业设计的重中之重，由于块状非晶合金制备时杂质、氧化物等容易混入形成晶核，所以制备方法的选择以及操作过程都应该作为工作重点。目前铜基非晶态材料的制备方法主要有以下几种：

4.1

真空熔炼吸铸法

铜基块体非晶合金的众多制备方法中，真空熔炼吸铸法不仅操作制备方便，而且拥有很多其他方法制备试样所没有的优点，是块体非晶合金制备中最常见的一种方法。它的基本工作原理是：首先利用电弧熔炼技术熔化母合金，母合金熔化后，利用熔化腔与铜模之间的气压差所产生的吸力，将熔化的合金吸入铜模中进行冷却[3]。这种方法操作简单、方便，人们经常使用。由于块体非晶合金的制备时将受到冷却速度的影响，所以制备出来的块体尺寸也因此而受到了限制。

4.2

水淬法

水淬法是将合金置于石英管中，熔化以后连同石英管一起淬入流动的水中，以达到快速冷却，形成大块非晶合金的目的[3]。水淬法的优点是其利用水来加快熔融合金的冷却速度来获得较大尺寸的铜基非晶合金。它的工艺容易控制且操作也较为简单。一般用来制备非晶形成能力很强的体系。但要在封闭的保护气氛系统里制备试样，设备比较昂贵，不利于气体排出，导致气体无法排出留在试样内成为缺陷。

4.3

感应加热铜模浇铸法

感应加热铜模浇铸法是将金属置于底部有小孔的石英管中，金属在感应线圈的作用下快速熔化，由于熔融合金表面的张力作用而不自动滴漏，需要外加一个正气压使其加速滴漏进入铜模。相比于电弧熔炼铜模吸铸法

，感应加热铜模浇铸法具有铜模不被加热

，温度可控性更强等特点[4]。这种方法的优点是铜模不被直接加热且温度可控性较强；缺点是在浇铸时试样容易混入气体以气孔的形式存在。

4.4

电弧熔炼铜模吸铸法

电弧熔炼铜模吸铸法是在保护气氛下利用电弧使合金迅速熔化，再通过负压将金属熔体吸人循环水冷却的铜模之中，从而实现快速冷却获得大块非晶的一种方法[4]。这种方法的优点是制备过程中气氛压力与大气压相差不大，没有明显的气孔出现。工艺过程比较简单，也易于操作，但能够制备的块状非晶合金的尺寸也受到冷却速率的限制。当样品尺寸更进一步增大时，合金的冷却速度不能满足形成大体积金属玻璃的冷却条件。

4.5

定向凝固法

定向凝固法可以连续获得大块非晶合金，它有两个主要的控制参数，即定向凝固速率V和固液界面前沿液相温度梯度G，定向凝固法的冷却速率可以通过这两个参数计算出来，即Rc=GV[5]。所以制备中要获得较大尺寸的非晶合金的话就必须保证液相温度梯度G增大、定向凝固速率加快。其中的G的大小主要受凝固设备限制，V受设备的融化速率限制。所以，定向凝固方法要求非晶形成能力强的合金才可以连续制备大块非晶合金，因临界冷却速率较低，获得的块体非晶合金尺寸不会太大。

5、铜基块体非晶合金的性能及应用

5.1

铜基非晶合金的力学性能

与其他晶态合金相比铜基非晶合金具有很高的强度、硬度和塑性等。如铜基非晶合金的抗压断裂强度可超过2000MPa，且具有明显的塑性变形能力，这么高的抗压断裂强度是非晶形成能力最好的锆基非晶合金所无法比拟的[3]。三元非晶合金Ca60Zr30Til0和Cu60

Hf25Til5在压缩变形中，它们各自的杨氏模量、屈服强度、抗压强度分别为124GPa，1940MPa，2110MPa和134GPa，2040MPa，2190Mpa[6]。以上表明铜基块体非晶合金因所拥有的特点而成为优于锆基且具有优良力学性能的新型材料。其应用领域也将变得越来越广泛。

5.2

铜基非晶合金的耐腐蚀性能

铜基非晶合金最大的特点是单相的无定型结构，冷凝过程中原子来不及扩散使得原子呈长程无序，短程有序排列和不存在平移对称。因而块体试样中的化学成分非常均匀，无边界，位错，层错等缺陷。在耐腐蚀性能上具有很大的作用，可以避免发生点腐蚀，晶间腐蚀等失效形式。

6、铜基块体非晶合金的应用

铜基非晶合金是具有高强度、高韧性等特性的非晶材料。由于价格低廉，已经用于很多领域，如用非晶态合金制做的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机中的广泛使用；采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市[6]。另外铜基非晶合金材料在体育、航空、军事和工程等领域都有广泛应用。

文献综述

7

铜基非晶合金的表征

目前铜基非晶合金的表征铜基非晶合金主要有：XRD、扫描电子显微镜(SEM)、DSC等手段。（1）利用XRD测量合金的X射线衍射谱，可以分析合金的相组成；（2）扫描电子显微镜观察非晶合金棒材横断面的组织、压缩试样的断裂表面和侧表面。采用二次电子像成像模式，观测压缩试样断裂表面的形貌特征和试样侧表面上的剪切带特征[7]。（3）差热扫描量热计主要用来分析连续升温过程中的热流变化。

8

结语

铜基非晶合金已在很多行业得到了广泛的应用。因其所特有的性能和低廉的制备成本、没有晶界、晶粒等缺陷，可作为化工、海洋等易腐蚀环境中应用设备的首选材料，此对非晶态材料的研究是非常有必要的[8]。相较而言，日本、美国等发达国家在大块非晶合金的研究方面任处于领先地位。国内起步较晚，最早研究块体非晶合金的机构是中科院物理研究所，且早已成功制得直径达9mm的铜基非晶合金棒，处于国际领先地位。随着科学技术的不断发展，检测手段的不断提高，利于新型铜基非晶合金材料各种性能潜能的开发，使得铜基非晶合金在各领域的应用范围不断扩大，从而提高人类生活水平。目前对铜基非晶合金的认识及制备方法还很不足，结构性能等方面也需要进一步的研究。铜基大块非晶合金的制备材料价格低廉和特有的性能，使得其将得到更进一步深入研究、开发材料潜能和实现工业化生产。

本次毕业设计采用的是改进的真空熔炼吸铸法制备系列铜基块体非晶合金，并认真观察、确认其非晶结构，测量其相应的纳米力学性能。重点是研究铜基块体非晶合金的制备、非晶合金的微观组织结构以及纳米压痕力学性能的研究。为铜基块体非晶合金的研究做贡献。

文献综述

参考文献

[1]

高忙忙.铜基块状非晶的制备及其摩擦磨损性能研究[D].兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2007.

[2]

赵吉鹏.合金元素的添加对铜基块状非晶合金玻璃形成能力及耐腐蚀性能的影响[D].兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2008.

[3]

沈博智.

铜基非晶合金的晶化行为研究[D].

兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2011.

[4]

彭谦之，刘克明，周海涛等.铜基

非晶合金的研究现状及展望[J].热处理技术与装备，2012，33(5):

1-4.

[5]

张永章，谢致薇，杨元政等.铜基块体非晶合金的研究进展[J].广东有色金属学报,2006,11(1):

41-45.

[6]

王仁军.

铜基非晶复合材料的制备与力学性能研究[D].兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2010.

[7]

张玲.微合金化铜基块状非晶的制备及力学性能的研究[D].兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2008.

[8]

李家洪.

Cu-Zr-Al及Cu-Zr-Al-Y/Ag系块体非晶合金的制备、表征及性能[D].

东北大学硕士论文,东北大学图书馆，2009.

[9]

A

H

CAI,X

XIONG,Y

LIU，et

a1．Effect

of

consolidationparameterson

mechanicalpropertiesof

Cu—based

bulk

amorphous

alloy

consolidated

by

hot

pressing[J].Transaetions

of

Nonferrous

Metals

Societyof

China,2012,22：2032—2040.

[10]

寇生中,李春燕,许广济等.Cu模吸铸法制备Cu基块体非晶合金[J].

特种铸造及有色合金，2005，25（12）：705-707.

[11]

J

H

PI,Y

PAN,J

L

WU,et

a1.

Preparation

and

properties

of

novel

Cu-based

bulk

metallic

glasses

Cu55?xZr37Ti8Inx[J].

Transaetions

of

Nonferrous

Metals

Societyof

China,2013，23：2989?2993.

[12]

G

J

YANG,T

ZHANG,Akihisa

Inoue.Effects

of

Ta,Nb

and

Mo

Additions

on

Glass-forming

Ability

of

Ti50Ni20Cu25SN5

Amorphous

Alloy[J].Rare

Metal

Materials

And

Engineering.2008,11:880-883

[13]

徐潇.

Cu

基大块非晶合金的制备及Pd基非晶的结构研究[D].

浙江大学硕士论文,东北大学图书馆，2006.

[14]

薛书微.

制备工艺对铜基非晶玻璃形成能力及力学性能的影响[D].兰州理工大学硕士论文,兰州理工大学图书馆，2009.

[15]

杨英俊.

铜基大块非晶合金的玻璃形成能力及力学行为研究[D].哈尔滨工业大学博士论文，哈尔滨工业大学图书馆，2007.

[16]

闫相全，宋晓艳，张久兴.

块体非晶合金材料的研究进展[J].

稀有金属材料与工程，2008，32（5）：932-934.

[17]

闰春蕾，沈建兴，马元等.

块体非晶合金氧化性能的研究进展[J].

材料热处理技术,2009,38（8）：17-20.

研究内容

一、研究思路

本次毕业设计思路是先利用真空熔炼吸铸法制备系列铜基块体非晶合金，与此同时把得到的试样和其他方法制备的铜基块体非晶合金试样对比，并认真观察、确认其非晶结构，缺陷情况等，最后测量其相应的纳米力学性能。

二、课题研究的主要内容

（1）真空熔炼吸铸法制备铜基块体非晶合金。

（2）制得的试样与其他方法所制试样进行结构和性能的比较。

（3）认真认真观察、确认其非晶结构。

（4）测量非晶合金的纳米力学性能。

三、解决的关键问题

（1）铜基非晶合金的制备方法。

（2）铜基块体非晶合金的制备。

（3）组织的非晶结构观察。

（4）纳米压痕的力学性能测试。

四、预期成果

（1）开题报告一份。

（2）与该课题相关的英文翻译一篇。

（3）1.5万字以上论文一篇（含200字以上的英文摘要）。

（4）答辩PPT提纲一份。

研究计划

第

1

周

查阅资料，初步设计实验方案

第

2

周

完成外文资料翻译；确定实验方案

第

3

周

分析文献资料，撰写文献综述和开题报告并开题；准备原料，制备、加工试样

第

4~6

周

加工试样、组织观察、结构分析

第

7~9

周

纳米力学性能测试

第

10~11

周

实验数据的分析、整理、补充、完善实验

第

12~13

周

撰写论文

第

14~15

周

修改论文、准备答辩PPT

第

1

6

周

论文答辩

特色与创新

（1）

真空熔炼吸铸法制备试样与其他方法制备比较；

（2）

组织观察、结构分析纳米力学性能测试；

（3）

分析、讨论非晶合金的变形、断裂机理。

指导教师

意

见

指导教师签名：*年*月*日

教研室意见

系部意见

主任签名：*年*月*日

教学主任签名：*年*月*日

附：与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字，参考文献不少于10种。