機械合金化技術在材料科學專業(yè)教學實踐中的研究和探討

1、機械合金化技術在材料科學專業(yè)教學實踐中的研究和探討對于材料科學與工程專業(yè)的本科生來說，到了大三和大四就要學習許多專業(yè)課程和專業(yè)選修課程。 其中有些課程屬于材料合 成與制備方法方面的內(nèi)容。在材料合成與制備方法的課程教學中 就需要涉及到材料的某些制備工藝，例如某些金屬合金的制備工 藝方法。對于金屬合金的制備方法，很多教科書都詳細地講述鑄 造技術、焊接技術、粉末冶金技術、金屬熔煉技術等，但也會涉 及到機械合金化技術。機械合金化技術是近年來發(fā)展起來的一種 制備高性能合金的新技術。這種技術主要是利用機械球磨工藝把 不同種金屬粉末通過機械球磨方式通過一定時間的球磨，最終使這些金屬元素粉末通過機械球磨工藝形

2、成金屬合金，所以最終能夠得到需要的新型金屬合金材料。 由于機械合金化工藝可以在常 溫下進行，不像金屬熔煉技術那樣需要較高的溫度才能熔化金 屬，因此機械合金化技術更為實用，成本較低，而且材料的制備 工藝簡單。所以機械合金化技術近些年來發(fā)展較快，機械合金化技術所能夠制備的金屬合金材料的范圍和種類也在不斷地擴大， 所制備的材料的性能也逐漸得到提高。 由于機械合金化技術制備 金屬合金粉末的制備工藝簡單， 成本較低，使用的金屬元素種類 較多，而且可以用于實驗室進行教學實驗，所以機械合金化技術也逐漸應用到了材料科學與工程專業(yè)的課程教學與實踐教學中。采用機械合金化技術制備金屬合金粉末可以作為本科生實驗課 程

3、的教學實驗， 也可以作為本科生的課程設計和畢業(yè)設計的教學 內(nèi)容。所以機械合金化技術將在材料科學與工程專業(yè)的教學實驗 中具有非常廣泛的用途。一、機械合金化技術的原理和應用在機械合金化過程中， 粉末受到磨球強烈的碰撞和擠壓。 極 平的、純凈的金屬表面在常溫下加壓可焊接在一起， 這就是冷焊， 也稱為壓力焊。塑性較好的金屬粉末，在磨球的碾壓、沖擊下發(fā) 生形變并以十分純凈的表面彼此接近到原子作用力的距離， 同樣 可以冷焊在一起， 形成相互交疊的層片組織， 而脆性粉末或塑性 粉末加工硬化變脆后， 在沖擊下直接破碎， 所以球磨過程因體系 不同而不同。在延性的金屬 - 金屬混合粉末中，粉末的變化分為 三個階段

4、：顆粒粗化 -破碎-粉末粒度的穩(wěn)態(tài)分布， 相應的稱為初 期、中期和后期。在機械合金化過程的初期，主要是冷焊過程， 塑性粉末含量越多，粗化越明顯，顆粒直徑可到數(shù)毫米，同時顆 粒表面也相當平滑；在機械合金化中期，冷焊和破碎交替進行， 層片狀較大顆粒與細小顆粒共存， 細小顆粒是從大顆粒上脫落下 來的，這一階段各層內(nèi)積蓄了能使原子充分擴散所需的空位、 位 錯等缺陷， 不同組元的擴散距離也接近原子級水平， 合金化過程 開始。在機械合金化過程的后期， 基本上只有粉末顆粒破碎的過 程，顆粒粒度趨向于最小值，因此也比較均勻。延性的金屬與脆 性的非金屬或化合物組成的體系， 脆性組元首先發(fā)生破碎， 延性 組元則首

5、先發(fā)生變形， 細小的脆性粒子處于延性顆粒之間。 隨后 延性組元逐漸加工硬化，發(fā)生斷裂和脆性組元一樣尺寸不斷減 小。機械合金化（ma方法（塑性-塑性混合粉末）原理是：將 金屬粉末在磨球的碾壓和沖擊下發(fā)生形變， 并以十分純凈的表面 彼此之間接近到原子作用力的距離， 實現(xiàn)冷焊， 最終形成相互交 疊的層片狀組織。這個過程一般要經(jīng)歷顆粒粗化、破碎、粉末粒 度的穩(wěn)態(tài)分布三個階段， 其中初期以冷焊過程為主， 粉末明顯粗 化，中間過程冷焊與破碎交替進行， 層片大顆粒與細小顆粒共存， 各層內(nèi)積蓄了能使原子充分擴散所需要的空位和位錯等的缺陷， 使不同組元的擴散距離接近于原子級水平， 合金化過程開始； 在 后期只有

6、破碎過程， 顆粒趨向于最小。 機械合金化工藝可獲得納 米顆粒，能使固溶、沉淀、彌散三種強化結(jié)合于一體，從而制備 出性能優(yōu)異的高溫合金。二、機械合金化技術在材料科學專業(yè)的課程教學與實踐教學 中的應用在材料科學與工程專業(yè)的一些專業(yè)課程， 例如材料合成與制 備方法、納米材料、功能材料等課程都講述了機械合金化技術。 例如在材料合成與制備方法這門課程中， 有講述金屬合金材料的 制備方法，除了傳統(tǒng)的鑄造工藝、焊接工藝、粉末冶金工藝以及 金屬熔煉技術之外， 重點講述機械合金化技術， 因為機械合金化 技術可以制備很多種金屬合金材料， 而且制備工藝簡單， 可以在 常溫下進行。 由于機械合金化技術可以在實驗室中進

7、行， 所以可 以很方便開設實驗課程。 在納米材料這門課程中講述了納米粉末 的制備工藝， 其中主要講述了機械合金化工藝。 因為機械合金化 工藝制備納米粉末的種類最多， 涉及到很多種金屬材料以及金屬 基復合材料的制備與合成等。 還可以利用機械合金化技術制備復 合材料， 例如用機械合金化工藝球磨不同種元素粉末， 使不同種 金屬元素通過機械球磨工藝形成金屬合金粉末， 所以通過機械球 磨工藝原位合成金屬基復合材料。 在功能材料這門課程中， 講述 利用機械合金化工藝制備納米粉末顆粒和功能材料， 例如制備貯 氫合金 Mg-Ni 合金等?；蛘呃脵C械合金化技術制備鐵磁合金材 料、非晶態(tài)材料、納米功能材料等各種

8、先進功能材料。利用機械合金化技術可以制備具有納米尺寸量級的金屬合 金粉末。 采用機械合金化技術制備的金屬合金有很多種， 例如采 用機械合金化技術可以制備 Fe-Al 金屬間化合物粉末、 Ni-Al 金 屬間化合物粉末， Ti-Al 金屬間化合物粉末，以及 Ni-Fe 合金、 Fe-Si 合金、 Cu-Al 合金等多種金屬合金材料。以上講述的都是 利用機械合金化工藝制備二元合金材料。 也可以利用機械合金化 技術制備三元合金、 四元合金以及多種成分的金屬合金材料。 例 如利用機械合金化工藝制備 Fe-Ni-Cr 合金、 Fe-Al-Ni 合金，以 及利用機械合金化技術制備具有多種成分的非晶態(tài)合金等

9、。 還可 以利用機械合金技術制備貯氫材料， 例如采用機械合金化工藝制 備 Mg-Ni 合金等。采用機械合金化工藝制備的金屬合金材料有很 多種，有些金屬合金材料的機械合金化制備工藝可以作為材料專 業(yè)的教學實驗， 可以為學生演示如何利用機械合金化工藝制備高 性能金屬合金材料。 例如采用機械合金化工藝制備 Fe-Al 金屬間 化合物粉末材料。 采用機械合金化工藝可將固溶、 沉淀和彌散三 種強化方式結(jié)合與一體，制備一系列具有優(yōu)異性能的高溫合金。 對 Fc-Al 合金的機械球磨或 Fe-Al 元素混合粉末的機械合金化已 開展了一定的研究。 Fe，Al 純元素混合粉末在球磨過程中，粉 末受到強烈的碰撞、擠

10、壓，冷焊和破碎的相互作用使粉末細化， 并在一定階段形成金屬合金。 經(jīng)過機械合金化工藝后就得到了粉 末粒度極細的 Fe-Al 金屬間化合物粉末。 同時還可以采用機械合 金化技術制備 Ni-Al 合金粉末、 Ti-Al 合金粉末等。 通 過機械合金化工藝可以制備多種新型的金屬合金粉末， 而且成本 較低，實驗過程簡單，可以作為本科生的實驗教學課程內(nèi)容。例 如可以開設納米材料的制備工藝的實驗課程， 使本科學生通過機 械合金化工藝制備多種具有納米結(jié)構的金屬合金粉末， 并對所制 備的金屬合金粉末進行性能表征， 使學生通過實驗課程認識和了 解納米材料的整個制備工藝以及表征方法。 還有使學生通過機械 合金化工

11、藝制備先進的金屬功能材料，如貯氫材料、納米材料、 鐵磁性材料等， 通過制備工藝結(jié)合性能表征使得學生對新型功能 材料有了一定的認識和了解。通過實驗教學使學生認識和了解到機械合金化技術在材料 科學與工程中的研究發(fā)展與應用， 使學生加深課程教學知識內(nèi)容 的認識和掌握，使學生在課程學習的過程中既增加課本知識又鍛 煉了實踐能力。所以在材料專業(yè)的實驗教學中應該增加一些材料 制備技術的教學實驗，例如使學生利用機械合金化工藝球磨得到 新型金屬合金粉末材料，并研究機械合金化工藝球磨過程對金屬 合金粉末的物相組成和顯微結(jié)構的變化，使學生通過實驗課程對 材料的制備和檢測方法有了較深的認識，從而為材料科學與工程 專業(yè)

12、課程的學習打下了堅實的基礎。三、機械合金化技術在材料科學中的發(fā)展趨勢與應用機械合金化技術由于制備工藝簡單， 成本較低，材料合成溫 度較低，所以被廣泛地應用到材料的合成與制備中。利用機械合金化技術可以開發(fā)新型的金屬合金材料以及復合材料等。采用機械合金化技術可以開發(fā)出很多種類型的金屬合金粉末，也可以開發(fā)金屬基復合材料等，而且現(xiàn)在有越來越多的研究者從事機械合 金化工藝制備金屬合金材料和金屬基復合材料以及功能材料的 研究和開發(fā)，所研究和開發(fā)的材料種類也逐漸增多， 應用范圍也 越來越廣泛。 機械合金化技術在材料科學與工程教學與實踐中也 得到廣泛的推廣和應用，已經(jīng)成為材料科學與工程專業(yè)實踐教學 課程必須進行的實驗內(nèi)容。所以本文作者認為應該在材料科學專 業(yè)的教學實踐中增加機械合金化技術的實驗課程，使得學生通過課程學習和實踐學習來加深材料科學與工程專業(yè)課程知識和內(nèi) 容的認識和掌握。綜上所述，本文首