金属材料论文大全11篇

金属材料论文篇（1）

经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1）原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2）力学性能

目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。

3）纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。

4）催化及贮氢性能

在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面：

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。

5结语

金属材料论文篇（2）

l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物；4）纳米晶体和纳米玻璃材料；5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1）原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2）力学性能

目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应变速率范围，纳米晶Ti-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。

3）纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。

4）催化及贮氢性能

在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面：

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。

5结语

金属材料论文篇（3）

经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1）原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2）力学性能

目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，

在750～950°C，10-5～10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。

3）纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。

4）催化及贮氢性能

在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面：

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。

金属材料论文篇（4）

“基础性”项目包括：（1）铝合金固溶时效：了解固溶及时效处理的基本操作、析出产物的形成及析出过程中合金性能的变化；淬火加热温度、保温时间及淬火速度对铝合金时效效果的影响，掌握最佳热处理工艺参数的确定方法。（2）碳钢的基本热处理工艺：掌握钢的退火、正火、淬火、回火的工艺操作方法，了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火对碳钢性能的影响规律。（3）低碳钢的渗碳：掌握金相法测定渗碳层厚度的方法，了解表面渗碳热处理后的组织分布特征。（4）Gleeble热-力模拟：利用Gleeble热-力模拟试验机获得金属材料应力-应变曲线，结合组织观测，分析实验结果，了解金属材料在形变热处理过程中变形程度、变形温度和组织与性能的关系。“基础性”项目一般3人一组，完成后每人必须提交研究总结报告。“综合性”项目，主要是基于45号钢，由学生查阅文献，自己完成从热处理工艺的制定和操作、性能检测、组织观察分析和数据分析的全过程。综合性项目一般5人一组，完成后每人必须提交研究总结报告，同时以小组为单位，以PPT口头汇报的形式将过程和实施结果展现给同学和老师。“研究性”项目，主要是学生利用课余的时间，对一些新型金属材料（非常规使用材料，一般为指导教师正在专注研究的材料）的热处理制度进行探索性的实验研究，确定其热处理的温度、实践等工艺参数，使学生具有综合运用热处理课程等所学相关专业知识分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新思维和创新能力。“研究性”项目一般5人一组，完成后每人必须提交研究总结报告，同时做PPT口头汇报，接受同学和老师的问询。

2项目教学的实施效果及应注意的几个关键问题

笔者在“金属材料热处理”课程中引入项目教学后，取得了明显效果，主要体现在四个方面：一是激发了学生学习兴趣，加深了对课程内容的理解。学生积极与老师交流，主动通过网络检索查阅资料，通过调研获得项目有关的实践应用方面的信息，深入钻研的精神进一步养成；二是形成了合作学习的良好氛围。小组成员间相互帮助，共同提高和进步，增强了团队合作意识，提高了学习效率；三是产生了成就感，增强了自信心。学生认真完成每个具体的项目任务，解决每个实际问题，内心就会产生成就感，自信心也明显增加，反过来也促进了对理论知识的学习；四是强化了操作技能，锻炼了综合职业能力。由于中小学阶段主要强调的是应试教育，学生的动手能力普遍不强，更谈不上职业能力。项目教学在锻炼学生动手能力方面有立竿见影的效果，对学生适应未来工作岗位非常有好处。总结长期的教学实践，笔者认为要想使项目教学在“金属材料热处理”课程中充分发挥作用，教师应把握好以下几个关键问题。

2.1充分发挥教师的主导作用教师的主要职能应从原来的“教”转变为“导”，具体体现为引导、指导、诱导和教导。教师应帮助学生提出问题、发现问题，但是解决问题和完成任务的主角是学生。对项目实施中遇到的关键知识点，教师应简明扼要地提出，由学生通过自学方式完成。对于部分靠学生自身能力和经验难以理解清楚的或者难以解决的问题，教师要及时给予启发性的辅导，最好不要直接告诉结果。教师要充分激发学生的学习动力，促进学生的自主学习和个性化发展。对于项目中的各个子任务，教师要严格督促学生按时间节点要求保质保量的完成，对项目实施的整体情况要有很好的把控。

2.2充分激发学生的学习主体性在项目教学中，学生不再是被动的学习者，学生的学习拥有很强的阶段目的性。学生为了解决实际问题，可以运用互联网、文本资料、认知工具，或者与同学讨论交流实现对信息的分析和处理，展开思维活动，不再完全依赖教师的讲解。因此，项目教学拥有天然地激发学生自发学习的特点。但是，学生个体在智力水平、思维模式、学习习惯方面存在很大差异，教师应根据每个学生的情况充分激发学习的主体意识，只有这样项目教学的效果才能充分体现，进展起来也会事半功倍。

金属材料论文篇（5）

1明确培养目标提升教育品质

卓越工程师培养计划是我国强国战略的重要举措，旨在造就一批综合能力过硬的高质量工程技术人才，它提出了一种新的教育品质概念，即高等院校的人才培养应当遵从社会发展需求和适应经济发展要求的双重标准，这不仅包含了对理论知识的应用和创新，还明确了人才培养应以综合素质和创新能力的全面拓展为核心。这就意味着高等学府对人才的培养应具备适应与时俱进的时代需求和高品质的工程技术发展要求的培养理念和课程体系。高质量工程技术人才不仅要求对工程技术有全方位深层次的掌握，还需通过正确的价值理性的引导，人文社会科学及企业管理精神的长期熏陶，懂得工程技术在社会和国家发展中的价值和意义。然而，目前的教育体系缺乏对学生进行从事工程工作意义的教育，很多工科学生并不明确工程工作的意义及其相应的社会责任，同时由于社会对工程和工学的认知度的欠缺与偏差，导致出现了一种现象——目前硕士研究生培养过程中，仅就学生生源方面，工学硕士明显优于专业学位硕士，甚至出现了工学硕士落榜的考生可以转向专业学位学习的第二选择。在20世纪70年代末至80年代初，大学生的理想职业是“不当工程师也要当技术员”。而且很多院校过去也常常以被命名为“工程师的摇篮”而自豪，但是在21世纪飞速发展的今天，这样的提法已从我们的生活中消失。目前的统计数据显示，现在大学生的理想职业一般为公务员、管理者、金融会计师等一些不具有工程意义的职业。对此我们不禁要发问：卓越工程师培养计划下的本科毕业生，会按照原本的设想，一部分继续全日制工程硕士的学习，另一部分转而攻读工学硕士吗？是不是学术研究型大学“卓越计划”的本科毕业生主要进入工学硕士阶段，从事科学研究；而一般本科院校的毕业生则进入全日制工程硕士的学习？当然，不管答案如何，都要求我们要实践好金属材料专业的三阶段(本科、硕士、博士)培养，这需要社会、学校、教师和学生多方面、多角度，及时有效地转变思想观念，更新教育理念，才能真正提高教育品质。

2创新工程教育培养模式

工程教育培养模式，常规的是变革课程体系、教材内容、教学方式，强化实践环节等。而工程教育的创新模式，例如“校企合作，顶岗实习”“学分互认”也在积极推动高等工程教育培养模式的全面改革发展。针对本科卓越工程师培养计划，常见的按学年分为“2+2”“3+1”“5+1.5”等。高校应打破学校封闭办学的传统模式，积极促进通过校企合作创设工程教育的环境与条件。我校金属材料专业本科卓越工程师计划采用“3+1”培养模式，即3年的校内学习，1年的企业学习，校内学习和企业学习相互交叉。在3年的校内学习时间内，穿插各类实验教学、实践教学以及认识实习，提升学生的实践能力；同时，学生也可根据自己的兴趣辅修管理学、经济学、自动化等第二学位专业。在1年的企业学习中，部分学生采用顶岗实习的方式，另一部分学生直接参与企业的项目研究。

3改革和完善实践教学体系

实践教学的目的是巩固理论知识和加深对理论知识认识，对培养具有创新意识的高等工程教育人才必不可少。我校金属材料专业本科“3+1”教学模式下，将实践教学与理论教学分离，将实践教学作为一个单独的部分，改变原来的将专业、基础课程以教师传授的方法给学生的这种传统教学方式。把培养学生能力作为主要目的，以通过精炼理论知识和工程训练作为辅助依托，学生解决实际问题的能力作为检验标准。与理论教学相得益彰又各自独立的实践教学体系。实践课程的学时有效性不同于理论教学，优化实践教学的教学模式，将工程人才的培养由课堂延伸到课外。同时，学校开设创新性实验和开放性实验，学生可自由选择。此外，课外科技活动和学科竞赛的奖励机制也可以调动学生学习的主观能动性，培养他们的学习兴趣和创造性思维能力。

4大力提升高校教师的工程素养

跟20世纪末期相比，现在的市场竞争更加激烈，高校的教师参加到工程实践中的次数和地位也在下降，这就使得高校教师更难把教学和工程设计都处理好。现在很多刚进入高校的青年教师大多都是没有或者很少有在企业实际的工作经验。结合生产实际和参加到工程的机会也在本科高年级的教学中正在减少，在本科的毕业设计中更是如此。因此，国内很多高校教师的工程实践能力和实践经验不足的现象突显。结合我校实际，可以从以下几个方面进行来提升教师的工程素质，从而满足卓越工程师教育培养的计划要求。

4.1教学相长结合

我校的实际情况，在研究和教学实践中发现，培养工程素质和工程实践能力的养成两个同等重要的因素是教师和学生。通过教师在研中学、学中教；学生在学中练、在练中学，实现教师和学生的共同进步。

4.2产学研紧密结合

学校搭建产学研一体化平台，使用该平台可以连贯地培养青年教师的工程素质，也可以提供给学生一个新的工程实践机会。

4.3合理高效的利用

社会资源创办校企联合教学模式，整合高效利用社会办学的资源优势，发挥出社会办学的力量。通过上面2种方式可以使教学紧密的结合行业发展的前沿，而且可以为教师工程素质和能力的培养提供必要的支持。

4.4加强教师队伍建设

要打造一支整体素质和技术能力都优秀的师资队伍，学校不仅要大力引进具有工程实践背景的高层次工程技术人才，还要建立一种长效机制，使得工科类专业教师有接受与社会发展接轨的工程实践锻炼的机会，并鼓励青年教师积极参与工程实践。学校还可以出台相关政策，以资助和鼓励青年教师到企业中进修学习。在岗位评聘、职称晋升等方面将工程素质考核纳入指标体系也是一种提升教师在工程教学方面素质的好方法。高水平工程教师师资队伍不但要有校内专职教师，还要有企业兼职教师，只有既鼓励有工作经验和科研水平的工程师到学校兼职任教，又鼓励专职教师到企业中兼职，才能使二者充分结合和交流，达到知识技能互补和彼此相互学习的目的。

5积极探讨校企合作方式

卓越工程师计划的实施必须重视校企合作，紧密依托行业。建立校企合作关系，是培养卓越工程师的有效途径。然而，长期以来国内的大部分企业都不愿意接纳未毕业大学生的实习，把在校大学生实习看成是企业负担，并且有很多企业把大学生实习的时间期限规定为1年，这都是培养卓越工程师计划的难点。同时，在校大学生在公司进行实习时，实习期间所需的实习费、安全保险费、交通费等各种费用都需要学校支付，这对于学校是很难承受的高额费用，会导致实习质量“缩水”。目前，在校大学生在企业实习中基本以参观实习为主，学生安全被学校和企业放在了第一位，在有限的实习期间内，对大学生的培养基本难以实现。针对该问题，希望国家明确要求企业担负起培养卓越工程师的校外责任，更希望国家实施政策鼓励企业的这种行为，促使企业积极主动建立校企合作关系，参与人才培养，将培养金属材料专业卓越工程师变成企业的经营政策。事实上，开展培养卓越工程师计划，建立校企合作关系，是一项学校和企业双赢的战略。首先，高等院校的发展，尤其是实施培养卓越工程师计划离不开相关企业的深度参与。其次，企业的发展离不开高等院校培养出的各种专业型人才。我校材料学院已与很多企业(如东北轻合金有限公司、东安发动机有限公司等)共同建立了长期稳定的工程硕士培养关系，已经帮助这些公司培养了众多工程技术骨干和管理人才。最后，校企合作关系的建立，能使高校与企业达到彼此生存共赢的目的。高校与企业之间是“你中有我、我中有你”的关系，合则两利，所以应该促使高校与企业之间建立更深层次的合作，即高校应该在企业建立生产实习基地，根据高校和企业的真实情况，建立各种等级的学生工作站，利用企业在生产、科研中遇到的实际问题和企业所能提供的实际技术、工作和科研环境，给高校本科生和硕士、博士研究生提供相应的研究课题。企业在给高校提供实习设备、场地、工作站的同时，高校学生也能给企业带来一定的经济利润，并且出站的毕业生也可以留在企业继续工作，使企业人才得到新鲜的血液，达到高校与企业双赢的目的。

金属材料论文篇（6）

经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1）原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2）力学性能

目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。

3）纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。

4）催化及贮氢性能

在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面：

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。

5结语

金属材料论文篇（7）

2基于粉末的制备工艺

2.1粉末烧结法该法是首先将造孔剂和金属粉末混合形成预制体，再通过加热、烧结等方式来制造出多孔金属。还有一种方法是直接在模具中加入粉末，然后通过烧结制成多空金属。其优势在于设备无需太好，烧结需求的温度、气氛和时间等可以调试，在室温下，造孔剂就可完成和金属粉末的混合，制成的多空金属具有孔均匀、整齐、连通等特质，而且孔径小，孔隙率为30%左右。常用来制造多孔钛、铜、铝等材料。目前已经成功研制的产品有：多孔lgiAMS合金、多孔纯钛、利用粉末造孔剂研发的孔隙率在55%～75%之间的多孔钛、多孔Ti-7.5Mo合金、3SCOr发泡剂条件下研制的孔隙率为22.4%的多孔不锈钢。

2.2浆料发泡法该法主要是将金属粉末、活性添加剂、发泡剂搅浑后装进模子，然后利用高温使其在浆料中产生气体，然后利用烧结和晾干而形成的多孔材料。常见于生产多孔镍、铜、不锈钢、铝等。制成的多孔金属孔隙率高达90%以上，且成本较为低廉，而且发泡剂颗粒大小可以决定孔径的大小。有研究者就才曾利用这种方法制成孔隙率高达96%的多孔不锈钢。

2.3空心球烧结法该法是粘连金属空心球后进行燃烧和凝结，然后在其扩散后来制成多孔金属材料，其具有开孔和闭孔的双重功能。有研究者在制造金属空心球的时候会在球的表面再镀一层金属，之后再将树脂去除即可。这种方法的机械性能和物理性能都是提前预算好的，孔的尺寸分布也非常有规律，常用来制造多孔铜、钢、钛。目前最为常见的是孔隙率36%的多孔TAVil64合金。

3基于沉积技术的制备工艺

3.1电解沉积法该法利用电镀工艺，经过化学沉积来获得高孔率开口结构材料金属化。主要过程为现在它的表面电镀一层金属，经过烘焙来使得里面的开口结构材料溶解，然后就能得到多孔金属材料。通常情况下，聚酯、乙烯基、聚酰胺等聚合物是高孔率开口结构材料的首选材质，多为三维网状有机泡沫。现如今，世界上较为流行的生产高孔率金属材料大型制备多选用这种方式来完成。它的优势在于产品孔隙率高达80%以上、且结构和孔隙分布都较为均衡。缺点在于成本比较昂贵，且生产工序非常繁琐，也很耗费时间。一般情况下，多孔镍、铜、银、钴等薄膜材料选用此法来制成。TanKai等利用化学镀铜、电沉积铜等方式成功研制多孔铜。

3.2气相沉积法该法主要指的是液态金属到金属蒸汽的演变过程，一般需在真空、惰性气体等状态下来进行，在网状聚亚胺酯等物上附着后而出现的金属沉积层。然后再经过热处理等手段将这层聚合物清楚，就可以获得通孔金属多孔材料。其优势在于对于任意的金属和合金都使用，且孔隙率可以达到60%～80%。其缺点在于沉积的过程缓慢，设备必须精良且成本昂贵，为此主要用于制备电极材料的制作。有研究者就曾利用该法研发出开孔多孔irelNCFA合金材料。

3.3原子溅射沉积法该法的前提是利用阴极喷射法在惰性气压下，使得高压惰性气体和金属原子在飞溅中冲撞，并且双方互相捕获和凝聚，最后形成金属液滴流入衬底。然后在衬底形成具有均匀包裹气体原子的金属，再加热至熔点，然后保温，使捕获的气体进一步胀大出现孔隙，再进行冷冻就会出现多孔金属材料。这种材料虽然性能和结构都俱佳，但是生产成本过高，不适宜于大批量生产。

金属材料论文篇（8）

2毕业设计选题

毕业设计是本科教学过程的最后一个环节，旨在训练学生综合应用所学的各种理论知识和技能，分析问题和解决问题的能力。虽然毕业设计环节众多，但选题环节是毕业设计成败的关键。根据我校金属材料工程专业的行业背景，毕业设计选题应遵循专业性、可行性、实用性、新颖性、自主性和科学性[3]。（1）专业性：选题必须符合金属材料工程专业的培养要求，训练学生解决实际问题的能力；（2）可行性：仪器设备等相关条件能够满足毕业设计要求，工作量适中，确保学生按时完成毕业设计；（3）实用性：以工程实践和博士、教授进企业等活动为载体，通过与企业联合选题的方式，提升学生的工程实践、工程设计和工程创新能力；（4）新颖性：避免选题的重复性或过于陈旧；（5）自主性：学生可以根据自己择业意向或主观意愿在教师指导下自拟题目，也可通过参与教师的科研项目或大学生创新计划等自主选题；（6）科学性：选题有一定的研究价值，教师可根据自己的科研项目拟定题目。

3导师制度建设

导师制度是适应教育管理的新形势、新变化、新要求情况下应运而生的，作为一种教育模式，主要通过一名导师负责几名学生，来加强学生与导师间的联系，使导师在思想、学习上、生活、心理、就业等方面全方位引导学生，同时也密切了师生之间教学与科研的交流合作。特别是在学习上，凭借自身多年的教育教学经验，导师可根据每个学生的兴趣或择业意向指导学生量身定制修业方案。此外，学生修业过程中，导师通过面谈、网络聊天、同事间交流等方式了解学生的学习情况，并及时进行引导。鼓励学生参与课内外科技活动和知识竞赛，同时对毕业设计选题、报考研究生、就业等进行指导。有意识地培养学生的自学能力、实践能力和创新精神，促进学生知识、能力、组织的全面提升。为此，在入学伊始就为金属材料工程专业的每位学生配备了导师。

金属材料论文篇（9）

2金属锌及其氧化物的气敏特性

图4是纯金属锌及其氧化物和不同纳米Au修饰量的金属锌及其氧化物气敏元件，在不同温度下对100μg/g丙酮的灵敏度图线。可以看出，纳米Au粒子可以有效地提高金属锌及其氧化物材料的灵敏氧化物对丙酮的选择性非常好，可以满足实际的丙酮气体检测要求。另外，材料各种气体的响应程度随气体浓度的增加基本呈线性逐渐变大。

图5为金属锌及其氧化物对不同气体的响应恢复动态曲线和灵敏度。可以看出，材料对还原性气体的灵敏度较高。另外，材料对丙酮的灵敏度比氢气、甲醛、苯和乙醇高得多，这说明Au修饰后金属锌及其氧化物对丙酮的选择性非常好，可以满足实际的丙酮气体检测要求。另外，材料各种气体的响应程度随气体浓度的增加基本呈线性逐渐变大。

金属材料论文篇（10）

1．2银汞合金牙科银汞合金耐腐蚀性被认为是因为其表面表浅、纤薄的类膜状结构，此结构主要由氧化锡、水合锡和氢氧化锌组成，此层薄膜的形成和消失会引起银汞合金腐蚀率的改变［18］。有研究结果显示浸泡于人工唾液中银汞合金的表面薄膜仍存在，而浸泡在含氟漱口水中后银汞合金的表面薄膜丧失，表明氟离子会降低银汞合金的抗腐蚀性能［19］。

1．3贵金属合金银钯合金的腐蚀行为与非贵金属合金不同，它与口腔中含有的氯化物硫氢酸根作用形成复合物，在其表面会形成难溶的盐层，释放非贵金属离子极少［20］。但也有研究表明，在含氟漱口水中其表面薄膜可迅速丧失，耐腐蚀性能明显降低，表现出对氟离子的高度敏感性［21］。高贵金属合金有着良好的抗腐蚀性能，Ayad等［22］对不同组分的高贵金属合金的研究表明:其零电势电位和腐蚀电流密度均值的差异无统计学意义。在含氟环境中的研究也证实，氟离子对高贵金属合金耐腐蚀性能的影响相较于非贵金属而言极小［23］。

1．4对比研究不同金属的耐腐蚀性是不同的，而氟离子对它们的耐腐蚀性的影响也有所差异。大量研究表明，氟离子对镍铬合金、银钯合金、纯钛的耐腐蚀性能影响较大，对高贵金属及高钴铬钼合金的影响相对较小，而钛合金中所含金属成分的不同对其在含氟环境中的耐腐蚀性能亦有影响。程玮等［24］通过动电位极化曲线法对钴铬合金、纯钛、高钴铬合金的电化学腐蚀行为的研究发现:氟离子可影响口腔中的钴铬合金、纯钛、高钴铬钼合金的耐腐蚀性，高浓度的氟会降低金属的耐腐蚀性，氟离子对3种合金抗腐蚀性能的影响从大到小依次为:纯钛、钴铬合金、高钴铬钼合金。对3种合金表面粗糙度及形貌的观察也证实:在不含氟人工唾液中，钴铬合金、高钴铬钼合金轻微腐蚀，出现腐蚀孔，而纯钛表面未见明显腐蚀孔［25］。当人工唾液中添加氟离子后，3种金属腐蚀程度增加，且随着氟离子浓度升高而加重，纯钛和钴铬合金尤为明显，可见较大腐蚀孔，高钴铬钼合金较其余两种合金腐蚀轻微。袁俊等［23］运用电化学技术对不同烤瓷合金金属电化学腐蚀性能的研究发现:氟离子环境使经过处理的烤瓷金属的耐腐蚀性能下降，腐蚀速度加快。4种金属的腐蚀电位值排列的顺序为:金合金、纯钛、钴铬合金、镍铬合金，即氟离子对金合金的腐蚀倾向最小，而对镍铬合金最大。金合金与纯钛耐腐蚀性能较强，其次是钴铬合金，镍铬合金最差。此研究中的钴铬合金在含氟环境中的耐腐蚀性能低于纯钛，原因可能是在烤瓷加工后，钴铬合金中的Cr、Mo元素减少，从而使得其耐腐蚀性能下降［26］。Mareci等［21］通过电化学阻抗谱分析法测得银钯合金、镍铬合金、纯钛、Ti12Mo5Ta钛合金浸泡于人工唾液和含氟漱口水后合金表面薄膜情况，同时电镜观察合金表面形貌的变化，发现在含氟漱口水中的金属耐腐蚀性均降低，其中耐腐蚀性能由高到低为Ti12Mo5Ta、纯钛、镍钛合金、银钯合金，浸泡于含氟漱口水中的银钯合金的表面薄膜完全丧失，表明银钯合金在含氟环境中的耐腐蚀性能显著降低，而Mo元素的加入可提高钛材料对氟离子的抵抗性。同时有研究表明在纯钛材料中加入Pt、Pd、Cu、Ag、Cr等元素也可增强钛在含氟酸性环境中的耐腐蚀性能［27－28］。

2影响氟离子对牙科金属耐腐蚀性的因素

2．1氟离子浓度在不同氟离子浓度中，牙科金属的耐腐蚀性能所受到的影响是不同的。研究表明，氟离子的浓度与其对牙科金属耐腐蚀性能的影响成正相关，低氟离子浓度的环境很少对耐腐蚀性能较高的金属(如高钴铬钼合金、金合金等)产生影响，而随着浓度的升高，氟离子的作用则趋于显著，高氟离子浓度对金属耐腐蚀性能的影响明显增加［2，24，29］。

2．2pH值目前已有文献证实在酸性条件下，金属表面的氧化膜生成速度减慢，且更易于溶解，金属的抗腐蚀性能下降。不同学者的研究显示，pH值与氟离子对金属的抗腐蚀性能的影响有着协同作用，在微酸环境中氟离子对金属材料耐腐蚀性的影响增大，偏酸性的人工唾液可加快金属和氟的反应而加速其腐蚀，氢离子浓度的增加还可使金属表面钝化速度减慢而降低其抗腐蚀性能。

2．3表面处理一般把金属表面防护和改性称之为金属材料表面处理，恰当的表面处理可以改善牙科合金的耐腐蚀性。翁维民等［36］的研究发现镍铬合金表面的氮化钛涂层能提高镍铬合金在含氟环境中的耐腐蚀性能，同时也可提高其耐磨性。在钛金属表面制备致密的氮化钛硬质薄膜，也可隔绝氢氟酸与钛金属的接触，镀膜后钛金属表面腐蚀倾向减小，腐蚀速度减慢，耐腐蚀性增加。对纯钛进行阳极表面氧化处理的研究也证明，阳极表面氧化处理可增强纯钛在含氟环境中的耐腐蚀性能。

金属材料论文篇（11）

2金属层状复合材料的生产工艺

2.1金属层状复合材料生产中的固－固相复合法

金属层状复合材料中的固－固相复合法是一种在上世纪30年代就发展起来的加工工艺，其主要原理是将两种或多种已经成型的板材通过叠加或者是轧制的方法使其能够形成多层复合的方式，从而使这种复合板材能够达到所需的性能要求。其中，复合板材所采用的轧制方法主要有热轧和冷轧两种，采用轧制的方法生产的复合板材具有生产成本较低、生产迅速以及成本板材的精度较高等优点，通过与现有的钢铁生产工艺及生产装备相结合能够实现大规模的生产，利用轧制法可复合的金属种类很多，但轧制复合往往需要进行表面处理和退火强化处理等工艺，板型控制困难，轧件易边裂，易形成脆性金属化合物，且道次轧制变形量大，需要大功率的轧机。

2.2金属层状复合材料生产中的爆炸复合法

此种方法的主要原理是通过使用炸药作为主要的能源，从而将多种金属材料复合焊接成一体的加工工艺，采用此种加工工艺的优点是生产出来的板材具有很高的产品适应性且保留了复合材料原料的一些特性，同时生产的板材结合界面的结合强度较高，能够使得其在后续的加工过程中保持较为良好的加工特性，同时对于金属层状复合材料的大小以及形状等都具有很强的可调性且对生产设备要求较低，缺点是生产过程中会产生巨大的噪音从而不利于生产的连续进行。

2.3金属层状复合材料生产中的爆炸－轧制复合法

此种方法结合了固-固生产法中的轧制法以及爆炸法中的一些优点，通过使用此种方法可以使得金属层状复合材料板能够生产的尺寸更大、厚度更薄、长度更长以及更细的复合金属材料，从而使得金属材料的性能克服了单一工艺中所存在的一些问题。

2.4金属层状复合材料生产中的扩散焊接法

金属层状复合材料经过多年的发展，已经具有多种生产工艺及加工技术，扩散焊接是一种对在金属层状复合材料的复合加工中常用的技术，其能够进行多同种或不同种材料进行复合。在加热到母材熔点0.5～0.7的温度时，在尽量使母材不出现变形的程度下加压，使母材紧密接触，利用界面出现的原子扩散而实现结合的方法。

2.5金属层状复合材料生产中的液－固相复合法

此种方法的原理是将一种（液相）的金属材料通过多种不同的方式均匀的浇铸在其他一种固态金属材料的表面，并依靠两种金属材料表面之间所产生的一定的反应来使两者之间出现结合，并在液态金属凝固后对其进行压力加工。

2.5.1直接浇铸复合法

直接浇铸复合法的制造工艺如下：首先需要将两块在内侧涂抹有剥离剂的钢板进行相应的叠合，并将两块钢板四周进行焊接后放入盛有金属液的铸模中，待到周围的液态金属凝固后进行一定的轧制，轧制完成后将焊接的钢板四周的焊缝去掉，从而可以得到分离后的两块液固复合板，在进行金属层状复合材料板的生产过程中如果做好对于加工温度的把控可以使得复合材料板具有较高的复合强度。此种方法操作方便、由于无需使用过多的机械设备以及其他附加工艺，因此，其加工成本较低，可以应用从而进行批量化生产，不足之处是由于需要将固态的金属板放置于高温下的液态液中待其凝固，在这一过程中，由于两者金属材料熔点的不同会使得高温的液态金属会对固态金属的表面造成一定程度的熔损，从而会对生产出来的金属层状复合材料板的质量造成一定的影响。双流铸造法又被称为双浇法，其主要是通过使用两种液态金属同时开始进行铸造，其主要利用的是两种合金之间的熔点差，通过将低熔点的合金首先浇注在一种特殊的扁模具中，而后通过将模具内的抽板进行一定的提升，其后再将高熔点的合金浇注在抽板提升后所留下的空位中，从而得到所需要的复合金属材料，使用此种方法需要做好时机的把控，特别是在金属液的浇注速度方面更是需要注意，从而使两层金属界面结合良好且界面稳定是比较严格的。

2.5.2钎焊法

钎焊法的主要原理是通过利用浸润的液态金属相凝固使两种金属焊合一起的技术方法。此种方法的加工工艺简单、操作方便，能够方便、快捷的完成异种金属之间的结合，其缺点是在钎焊结合部位的硬度不高，从而使得复合材料板出现小孔、夹渣、偏析等缺陷。

3金属层状复合材料中的表面工程技术

电镀主要是通过溶液中所含有的金属离子在导电的情况下聚集到电极中的阴极中并均匀的覆盖在阴极的表面使其形成能够与基体牢固相结合的镀覆层的过程。经过多年的发展，电镀已经成为了现今工业生产中的重要组成部分。除了电镀外，在材料表面工程处理中还具有刷镀、化学镀以及热喷涂、化学气相沉积法、物理气相沉积等多种表面处理技术，以上这些技术都各有优缺点，应当根据金属材料表面的特性需要适合的技术。

4金属层状符合材料的发展展望

随着科技的进步以及越来越多的新技术被应用于材料生产工艺中，现今，在金属层状复合材料的生产过程中主要有电磁成型复合、自蔓延高温合成焊接技术、激光熔覆技术、超声波焊接技术以及喷射沉积复合技术等。采用以上这些技术能够使得金属复合材料性能更高以及生产更为简单方便。