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机械合金化(MA)

        机械合金化(Mechanical Alloying,简称MA)是指利用机械能的作用使材料的组元在固态下实现合金化的材料制备技术。在MA的过程中,由于高能量机械能的作用,材料发生一系列的显微组织结构变化和非平衡态相变,导致各类非平衡态结构的形成,如纳米晶、非晶、亚稳相、过饱和固溶体等。这些亚稳结构的材料常常表现出优异的物理、化学和力学性能。70年代初Benjamin等首先用高能球磨方法制备出高性能的ODS 合金。1983年Koch等明确指出用MA方法可以制备出非晶合金,引起了各国学者对这领域的极大兴趣,随后 Shingu, Fecht等指出用该方法可以较便宜的获得纳米晶材料,确立了MA是制备纳米晶材料的主要方法之一。 MA近年来广泛的应用于制备各种高性能的材料,包括弥散强化合金、金属间化合物,磁性材料、储氢合金、纳米晶合金、纳米晶陶瓷、纳米复合材料等。

   高能球磨是实现MA的主要方法。如图1.1示意给出了两种金属粉末球磨中实现合金化的的过程。粉末在钢球的碰撞下发生严重的变形,并冷焊合形成层片结构。随球磨碰撞的不断进行,层片结构愈加细化。由于变形引入的大量的晶体缺陷和冷焊合引入的大量界面的存在,以及球磨碰撞引起的温升,使得组元的扩散能力极大的增强。通过层片间界面发生互扩散导致相变,从而形成非晶相、准晶相和纳米晶的合金、金属间化合物、亚稳相、过饱和固溶体等。

 Fig.1.1 两种金属粉末球磨中实现合金化的的过程


                                                                                                 

 

Fig.1.2 Cu-Zn合金球磨后形成的层片状机构


 

  本研究小组重点研究以下内容: MA 过程中的非平衡态结构转变,非平衡结构形成的分子动力学模拟,纳米相复合结构的稳定性,各种高性能的纳米晶金属材料、超硬金属陶瓷等的制备及其结构与性能。

1 .互不溶体系机械合金化及其的分子动力学模拟

   互不溶体系一般是指固体时组元间的固溶度几乎为零,液态时的溶解度很小或接近零的合金体系(如 Ag-Cu, Al-Pb, Cu-Ta, Cu-W 等)。这种体系的混合热一般为正值 ( △ Hmix>0) ,由于原子之间的相互排斥作用很难形成化合物或固溶体,并且很难用传统的铸造法制备超细混合合金。机械合金化通过高密度的位错及界面等,使体系发生远离平衡态的结构转变,使得互不溶体系中能够形成过饱和固溶体和非晶化等亚稳相。目前已通过 MA 技术在互不溶体系中制得了过饱和固溶体、非晶、纳米相复合结构等亚稳态结构。这些亚稳态构常常表现出特殊的力学和物理性能。


Fig1.3 Al-Pb 二元合金的原子间相互作用势函数


Fig1.4 Al-Pb 二元合金的形成焓