金属学与热处理 材料研究新进展.ppt

自20世纪50年代开始，人们便从沉积膜和电镀膜上了解到存在有非晶态的金属及合金，在1960年美国加州理工学院的P.?杜威兹教授在研究Au-Si二元合金时，发现了用激冷的办法从液态获得非晶态共晶成分的金硅合金。但当时的试样仅仅是薄膜或几百毫克的薄片，而且成分极为有限，所以在其后10年间没有取得应有的进展。1970年提出了连续激冷法，使多种合金的线状和板状非晶态金属材料的制造成为可能，以后非晶态的基础研究和应用研究都得到了迅速进展。其后，通过以日本和美国为中心进行的基础研究，接连不断地发现了非晶态材料的超耐腐蚀性、高磁导率、恒弹性、低热膨胀性、高磁致伸缩等各种特性。同时，通过改进制造方法，已能制造宽度较大的板材。1.非晶态合金的结构研究非晶态材料结构所用的实验技术目前主要沿用分析晶体结构的方法，其中最直接、最有效的方法是通过散射来研究非晶态材料中原子的排列状况。由散射实验测得散射强度的空间分布，再计算出原子的径向分布函数，然后，由径向分布函数求出最近邻原子数及最近原子间距离等参数，依照这些参数，描述原子排列情况及材料的结构。目前分析非晶态结构最普遍的方法是X射线衍射及电子衍射，中子衍射方法也开始受到重视。近年来还发展了用扩展X射线吸收10.2功能材料第62页，共95页，星期日，2025年，2月5日精细结构(EXAFS)的方法研究非晶态材料的结构。这种方法是根据X射线在某种元素原子的吸收限附近吸收系数的精细变化，来分析非晶态材料中原子的近程排列情况。EXAFS和X射线衍射法相结合，对于非晶态结构的分析更为有利。在理论上通常把非晶态材料中原子的排列情况模型化，其模型可分为连续模型(如连续无规网络模型、硬球无规密堆模型)和不连续模型(如微晶模型、聚集团模型)等。1)微晶模型该模型认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。从这个角度出发，非晶态结构和多晶体结构相似，只是“晶粒”尺寸只有几十纳米到几百纳米。微晶模型认为微晶内的短程有序结构和晶态相同，但各个微晶的取向是杂乱分布的，形成长程无序结构。从微晶模型计算得出的分布函数和衍射实验结果定性相符，但细节上(定量上)符合得并不理想。此外，微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在许多问题，使人们渐渐对其持否定态度。2)拓扑无序模型该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无序堆积时附带产生的结果。在这一前提下，拓扑无序模型有多种形式，主要有无序密堆硬球模型和随机网络模型。10.2功能材料第63页，共95页，星期日，2025年，2月5日2.非晶态合金的特性如前所述，非晶态合金的结构特点是不存在晶体结构那样的原子的长程规则排列。例如，将液态金属瞬间冻结，即成为近于凝固态的结构，称为致密无序堆积结构。如果用二维模型来描述的话，如图10.8所示的结构。与晶态相比较便可以看出，非晶态结构的间隙多，从小范围内看是不均质的，但从大范围来看则是更为均质而且是各向同性的。与此相反，晶态是因方向不同而致密性各异(晶体的各向异性)，是各向异性结构。此外，由于是晶体的缘故，易于形成空位，位错等晶格缺陷和晶界。因此，用电子显微镜来观察时，在非晶态合金中看不到组织，进行X射线衍射也不见有尖锐的峰值。因此非晶态合金的主要特性包括以下几点。1)高强韧性非晶合金具有极高的强度和硬度，其强度远超过晶态的高强钢，韧性也明显高于传统的钢铁材料，压缩变形时，压缩率可达40%，轧制压率可达50%以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很小曲率半径而不折断。非晶态合金变形和断裂的主要特征是不均匀变形，变形集中在局部的滑移带内，使得在拉伸时由于局部变形量过大而断裂，所以伸长率很低，但同时其他区域几乎没有发生变形。在改变应力状态的情况下，可以达到高的变形率(如压缩)。非晶态合金可以作为10.2功能材料第64页，共95页，星期日，2025年，2月5日复合材料增强体，如制作钓鱼竿等，其高强度、高硬度和高韧性可以被利用制作轮胎、传送带、水泥制品及压管道的增强纤维。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球拍和微型齿轮，非晶合金丝材还可用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。图10.8晶态与非晶态原子排列的二维模型图10.2功能材料第65页，共95页，星期日，2025年，2月5日2)优良的磁性与传统的金属磁性材料相比