機械合金化技術在材料科學專業教學實踐中的研究和探討
教育與教學
作者：江濤 呂巧飛 張維娜 李帥
資助項目：西安石油大學大學生科研訓練計劃資助項目。
摘要：本文首先介紹了機械合金化技術的概念和技術原理，並講述了機械合金化技術在材料科學與工程中的應用。並結合材料科學與工程專業課程的教學內容，探討了機械合金化技術在材料科學與工程專業的教學實踐中的研究和應用，並為合理利用機械合金化技術在材料科學與工程專業教學實踐中發揮更大的作用提出了建議和意見。
關鍵詞：機械合金化技術材料科學與工程教學實踐
對於材料科學與工程專業的本科生來說，到了大三和大四就要學習許多專業課程和專業選修課程。其中有些課程屬於材料合成與製備方法方麵的內容。在材料合成與製備方法的課程教學中就需要涉及到材料的某些製備工藝，例如某些金屬合金的製備工藝方法。對於金屬合金的製備方法，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展起來的一種製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。由於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，而且材料的製備工藝簡單。所以機械合金化技術近些年來發展較快，機械合金化技術所能夠製備的金屬合金材料的範圍和種類也在不斷地擴大，所製備的材料的性能也逐漸得到提高。由於機械合金化技術製備金屬合金粉末的製備工藝簡單，成本較低，使用的金屬元素種類較多，而且可以用於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的課程教學與實踐教學中。采用機械合金化技術製備金屬合金粉末可以作為本科生實驗課程的教學實驗，也可以作為本科生的課程設計和畢業設計的教學內容。所以機械合金化技術將在材料科學與工程專業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、純淨的金屬表麵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、衝擊下發生形變並以十分純淨的表麵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後，在衝擊下直接破碎，所以球磨過程因體係不同而不同。在延性的金屬-金屬混合粉末中，粉末的變化分為三個階段：顆粒粗化-破碎-粉末粒度的穩態分布，相應的稱為初期、中期和後期。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，顆粒直徑可到數毫米，同時顆粒表麵也相當平滑；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後期，基本上隻有粉末顆粒破碎的過程，顆粒粒度趨向於最小值，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係，脆性組元首先發生破碎，延性組元則首先發生變形，細小的脆性粒子處於延性顆粒之間。隨後延性組元逐漸加工硬化，發生斷裂和脆性組元一樣尺寸不斷減小。