非晶态材料的结构特性与亚稳定性.ppt

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1、§3非晶合金材料§3.1非晶合金的发展历史1960年Duwez等人采用Au-Si合金首次制备非晶相二元非晶系合金一般是由过渡族金属或贵金属和玻璃化非金属或类金属组成如Fe、Ni、Co等和B、Si、C、P等，玻璃化元素原子百分比为15-30％主要的非晶合金系有：贵金属基、铁基、钴基、镍基、钛基、锆基、铌基、钼基镧系金属基、铝基、镁基合金等非铁类金属基合金系年代铁类金属基合金系年代Mg-Ln-M(Ln镧系；Ni,Cu,Zn)1988Pd-Ni-Fe-P1997Ln-Ga-TM(Ⅵ-Ⅷ族过渡金属)1990Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)1995Zr-Al-TM1993Fe-(Nb,M

2、o)-(Al,Ga)-(P,C,B,Si)1995Zr-Ti-TM-Be1995Fe-(Zr,Hf,Nb)-B1996Pd-Cu-Ni-P1996Co-Zr,Hf,Nb)-B1996Pd-Cu-B-Si1996Ni-Zr,Hf,Nb)-B1996表3-1典型块状非晶合金及其开发年代质点在三维空间排列没有规律性，即远程无序，不排除局部区域可能存在规则排列，即近程有序质点在三维空间作有规则的排列，即远程有序§3.2非晶态材料的结构特性图3-1气体、熔体、玻璃和晶体的X射线衍射图晶体：有序结构，当晶面满足布拉维衍射条件时，便会在特征角度出现尖锐的衍射峰气体：完全无序的结构，因而出现散射现象玻璃和熔体

3、结构：存在相似性介于有序和无序之间的一种状态，衍射图谱呈弥散状衍射峰近程有序、远程无序在局部区域质点排列形式与晶体相似，但这种局部有规则排列区域是高度分散的§3.3非晶态材料的亚稳定性亚稳态是指该状态下系统的自由能比平衡态高，有向平衡态（晶态）转变的趋势。如何形成亚稳态（形成原因）非晶材料在制备过程中，因熔体急冷使体系粘度急剧增大，质点来不及作远程有序排列而玻璃化，其释放的能量较结晶潜热小，即非晶与晶体相比含有过剩的能量。从热力学观点看，非晶态是能量的亚稳状态，应具有自发放热和结晶的内在条件。而常温下材料的粘度非常大，以致动力学条件不足，阻碍了转化的进行。当温度升高时，必然有向低能量转化的趋势

4、，产生晶化。非晶态的形成抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变为非晶态§3.4非晶形成能力及主要参数非晶的主要参数：Rc：非晶形成临界冷却速度tmax：非晶形成临界厚度玻璃转变温度Tg和熔点Tm，Tg/Tm：约化玻璃转变温度结晶温度TxΔTx=Tx-Tg：过冷液体温度区间不同成分非晶态金属临界冷却速度在102-107K/s间变化，多数非晶态合金在105-106K/s的冷却速度下制得非晶形成能力：1990年前发现的Fe基、Co基、Ni基非晶合金的临界冷却速度Rc大于105K/s，厚度tmax限制在50μm以

5、下，而Pd-Ni-P和Pt-Ni-P的Rc在103K/s数量级，熔体未经净化处理条件下tmax为1-3mm近年Mg、Ln、Zr、Fe、Pd、Co基合金系中发现了新的多元非晶合金Rc低至10-1K/s，最大试样厚度达到72mm经验原则随着约化玻璃转变温度Tg/Tm的提高，非晶形成能力有明显提高趋势，具有较低临界冷却速度Rc和较大临界厚度tmax的合金，Tg/Tm的值超过0.6随着过冷液体温度区间ΔTx的提高，Rc降低而临界厚度tmax增大Zr-Al-Ni-P和Pd-Cu-Ni-P非晶合金的ΔTx的值超过100KZr-Al-Ni-P和Pd-Cu-Ni-P非晶合金的ΔTx的值超过100K§3.5块状

6、非晶合金的制备与性能§3.5.1块状非晶合金的制备制备：快速凝固和固结加工快速凝固：水淬、铜型铸造、高压压铸、电弧炉熔炼、不定向熔炼等固结加工：对处于过冷液状态的雾化非晶粉末进行热压或热挤压进行制备La基、Mg基合金最大厚度为10mm，锆基为30mm，Fe基10mm采用水淬法制备直径为50mm和72mm的Pd40Cu30Ni10P20非晶合金，表面光滑良好金属光泽1.良好的力学性能非晶态金属的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态金属中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。这样就使得非晶态金属既可以具有很高的强度和硬度，同时又能在室温下产生塑性变形。与结晶合金相比，非晶合金具有较高的拉伸强度和显微硬度

7、，较低的杨氏模量。在杨氏模量相同的情况下，非晶合金的拉伸强度和显微硬度约为结晶合金的3倍§3.4.2非晶合金的性能它的强度和硬度比现有的许多晶态金属高，能高达每平方毫米4000牛顿，超过了超高硬度工具钢，同时还具有相对较高的韧性。非晶合金的拉伸塑性较低，在拉伸时小于l％，但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达40％，非晶合金薄带弯达180o也不断裂。2.良好的化学性能非晶态合金比相同成分的晶态合