（材料加工工程专业论文）复合增韧组织的力学性能模型化研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 复合增韧组织的力学性能模型化研究 专业：材料加工工程 硕士生：刘仁智 导师：杜忠泽副教艘 王经涛教授 摘要 本文建立了一个延性相增韧硬强相的复合组织力学模型，通过对不同体积分数、 不同尺寸、不同材料增韧相增韧硬强相基体的强韧化贡献进行计算研究，由此达到 对基体的力学性能进行优化。利用模型对增韧复合组织进行压缩与拉伸变形计算， 把计算结果与实验数据进行对比，验证模型计算的准确性。所做工作如下： ( 1 ) 模仿常规复合材料中高强度相材料加入基体相材料以增强基体强度的复合 材料概念，明确提出高塑性低强度相“加入”低塑性高强度相从而达到增韧目的的 新复合材料概念，并进一步提出复合增韧的概念。 ( 2 ) 揭示脆性基体复合材料的增韧机制，寻找具有最佳增韧效果的微结构组合 是当前研究复合组织增韧的首要目的。 ( 3 ) 采用细观力学中的模型方法结合有限元计算工具与平均化思想进行研究。 代表单元模型的提取参照文献中提供的实物照片，并根据细观力学理论进行了适当 简化。 ( 4 ) 从细观尺度而非微观尺度的水平，针对增韧“相”尺寸、体积分数、性能对 复合增韧材料组织性能的预测和组织优化提出建议。 通过进行以上工作，得出如下结论： ( 1 ) 增韧相与基体相力学性能的变化：增韧相表现出明显的应变强化，基体相 在延性第二相的软化作用下，塑性增加。 ( 2 ) 增韧相与基体相力学性能的匹配：增韧相与基体相的弹性模量与泊松比越 接近，增韧相的增韧作用发挥越充分：两相性能差别越大，越容易在两相界面发生 应力集中，导致两相脱粘，力学性能变差。 ( 3 ) 增韧相的尺寸对复合组织力学性能的影响：增韧相尺寸太小达不到增韧的 效果，增韧相尺寸太大恶化两相接触界面。 西安建筑科技大学硕：七学位论文 ( 4 ) 增韧相体积分数对复合组织力学性能的影响：加入少量体积分数的增韧相 并不会显著提高失效应变，对屈服强度和极限强度影响也小：相反加入大体积分数 的增韧相使两相的受力环境恶化，这都使复合组织力学性能变差。增韧相体积分数 对复合组织力学性能的影响较增韧相尺寸的影响更大。 ( 5 ) 增韧相形状对复合组织力学性能的影响：增韧相形状( 本文只研究完全对 称的立方体) 即立方体的长、宽、高之比在1 5 变化时对复合组织的力学性能的 影响不大。 ( 6 ) 验证模型：通过把计算结果与实验数据进行对比，证明所建模型用来计算 延性相增韧硬强相复合组织的力学性能是基本正确的。 关键词：非晶合金；纳米晶；微米晶；复合组织；强韧化 西安建筑科技大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no nm e s o - m e c h a n i c sm o d e l i n g o fc o m p o s i t et o u g h e n i n g s p e c i a l t y ： m a t e r i a l sp r o c e s s i n g n a m e ：l i ur e n z h i i n s t r u c t o r ：d uz h o n g z e w a n gj i n g t a o i nt h ep a p e r , ac o m p o s i t em e c h a n i c a lm o d e l ，s o f tp h a s ei se n c l o s e di nh a r dp h a s e ( h a r d - s o f t - p h a s es t r u c t u r ei sc a l l e d “b i m o d a r s t r u c t u r e ) ，w a sb u i l t s i m u l a t i o nw a s c a r r i e do nt h em o d e l t o u g h e n i n ge f f e c tw a sr e s e a r c h e da b o u tt h ec o n t r i b u t i o no fm a t r i x p h a s ea n dt o u g h e n i n gp h a s ew h o s ev o l u m ep e r c e n t 、s c a l ea n dm a t e r i a la r ec h a n g e a b l e ，s o ， m a t r i xp h a s em e c h a n i c a lp r o p e r t yc a l lb eo p t i m i z e d u n i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt e n s i l e t e s ts i m u l a t i o na n dc o m p u t a t i o nw e r ep e r f o r m e d i no r d e rt oc h e c kt h ea c c u r a c yo ft h e m o d e l ，c o m p u t a t i o nd a t aw a sc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n td a t a t h ew o r km a d ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sm a t e r i a lw i t h b i m o d a l s t r u c t u r ew a sv i e w e da sak i n do fc o m p o s i t ea n d t h ei d e ao f h a r d - s o f t - p h a s ec o m p o s i t et o u g h e n i n gw a s p u tf o r w a r d f 2 ) d i s c o v e r i n gt h et o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ew i mc r i s pm a t r i xa n d s e a r c h i n gt h eo p t i cm i c r o s t r u c t u r ec o m b i n a t i o na l ep r i n c i p a lm o t i v eo fr e s e a r c h i n g c o m p o s i t es t r u c t u r e ( 3 ) b yr e v i e w i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt e mi m a g e sm a d eb yo t h e rr e s e a r c h e r s ，a m i c r o m e c h a n i c a lm o d e lo fh a r d - s o f t - p h a s ec o m p o s i t et o u g h e n i n gw a sb u i l tb ys e v e r a l d e f i n e ds t e p si n c l u d i n gb u i l d i n gu n i tc e l l ，c o n f i r m i n gb a s i ch y p o t h e s i s ，b o u n d a r y c o n d i t i o n s ，a n dt e r m i n a t i n gc o n d i t i o n s ( 4 ) t h es t a t i ct e n s i l et e s to fu n i tc e l l sw a ss i m u l a t e db yf i u i t ee l e m e n tm e t h o d t h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t l lt h ep r a c t i c a l l ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e r a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em i c r o m e c h a n i c a lm o d e lw a sc h e c k e d a n dm o r e ，t h e p e r f o r m a n c ed i v e r s i t yo ft h i sh a r d - s o f t - - p h a s ec o m p o s i t ew a ss t u d i e dt h a tw a si n f l u e n c e d b ys c a l e 、v o l u m ep e r c e n t a g ea n ds h a p eo f t o u g h e n i n gp h a s e s i m u l a t i o nr e s u l ta sf 0 1 l o w s ： 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yc h a n g eo ft o u g h e n i n gp h a s ea n dm a t r i xp h a s e ： 1 h u g h e n i n gp h a s e sr e v e a le v i d e n t s t r a i ns t r e n g t h e n i n g m a t r i xp h a s e sp l a s t i c i t yi s i m p r o v e da st o u g h e n i n gp h a s e ss o f t e n i n g ( 2 ) m e c h a n i c a lp r o p e r t y sm a t c h i n go ft w op h a s e s ：w h e nt o u g h e n i n gp h a s e se l a s t i c m o d u l u sa n dp o i s o n sr a t i o ni sc l o s e rt om a t r i xp h a s e ，m a t r i xp h a s e st o u g h e n i n ge f f e c ti s b e t t e r ；o nt h ec o n t r a r y , s 仕o n gs t r e s sc o n c e n t r a t i o nb e t w e e nt w op h a s e sc a ne a s i l yl e a dt o i n t e r f a c e s m e c h a n i c a lp r o p e r t yd e t e r i o r i s m ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f t o u g h e n i n gp h a s e ss c a l eo nc o m p o s i t em e c h a n i c a lp r o p e r t y ：f o r t h es a m em i c r o g r a i n ，t o u g h e n i n gp h a s e ss c a l e p l a y sag r e a tr o l ei nm a t r i xp h a s e s m e c h a n i c a lp r o p e r t y f o re x a m p l e ，w h e ns c a l ei sa b o v e1 0 u m ，t o u g h e n i n ge f f e c tg e t s b e t t e ro f t h ec o u n t e r p a r tb e l o w10 u m ( 4 ) t h ei n f l u e n c eo nt o u g h e n i n ge f f e c to ft o u g h e n i n gp h a s e sv o l u m ep e r c e n t ：w h e n t o u g h e n i n gp h a s e sv o l u m ep e r c e n ti sl o w , t o u g h e n i n ge f f e c ti sp o o r b yc o m p a r i s o nw i t h t o u g h e n i n gp h a s e ss c a l e ，t o u g h e n i n gp h a s e sv o l u m ep e r c e n th a sm o r ei n f l u e n c et h a n g r a i n ss c a l ei nt o u g h e n i n ge r i e e t ( 5 ) t h ei n f l u e n c eo nt o u g h e n i n ge f f e c to ft o u g h e n i n gp h a s e ss h a p e ( t h ep a p e rm a d e as t u d y t or a t i oo f l e n g t h 、w i d t h a n d h e i g h t o f c u b e ) ：t o u g h e n i n g p h a s e ss h a p e h a s l i t t l e i n f l u e n c eo n c o m p o s i t em e c h a n i c a lp r o p e r t yf o rs y m m e t r i c a lc u b e ( 6 ) l a s t l y , t h em o d e lw h i c hs o f tp h a s ei se n c l o s e di nh a r dp h a s e ( c a l l e d “b i m o d a l ” s t r u c t u r e ) i sc o r r e c tb yc o m p a r i s o ns i m u l a t i o nr e s u l tw i t he x p e r i m e n tr e s u l t k e y w o r d s ：m e t a l l i cg l a s s ，l l a n o g r a i n ，m i c r o - g r a i n ，c o m p o s i t e ，t o u g h e n i n g 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：i 17 等二智 曰期：。f - f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复e p 件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 孙二静黼：杠妤即期：k 如 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 文献研究 科学技术的发展，对材料提出了越来越高的要求，强韧化的问题越来越受到人 们的重视。包括纳米在内的所有先进材料及非晶材料、陶瓷等脆性材料，都存在一 个复合韧化的问题，利用硬强相包围软韧相的复合组织可以充分的达到韧化的目的。 揭示脆性基体复合材料的增韧机制，寻找具有最佳增韧效果的微结构组合是当前研 究复合组织增韧的首要目的。在复合组织中，每个组成相可以发挥其本身的优点， 使复合组织兼有两个组成相的优点。这一方法的基本原理是利用一个复合物，依靠 这个复合物使得各相的优点尽可能得到发挥，同时使它们的缺点由于其他相的存在 而减少或消除。为了实现强韧化，一般可以从两个途径考虑，即强化高韧性材料或 韧化高强度材料，但一般复合组织在韧化方面比较有效。实验证明硬强相包围软韧 相的复合组织能有效的改善高强度低塑性材料的力学性能，通过细观力学预测复合 材料的力学性能随各相材料性能及相几何变化的规律，可在选材及工艺中按照这些 规律调节各相材料及相几何，据以指导改进复合材料以获得预期的性能。 目前这方面的研究主要有：在纳米材料具有高强度低塑性的基础上，w a n g 1 】等 研究出了具有高强度、高塑性的纳米微米复合组织的纯铜。d i v i d w i t k i n 2 1 等通过在 纳米粉中加入微晶粉的粉末冶金的方法制备的强度及韧性都极好的a l - m g 合金可用 作工程纳米结构材料。h c h o i y l m 3 1 等在脆性z r 5 7 n b s a l l o c u l 5 4 n i l 26 ( v i t l 0 6 ) 基体中 加入5 0 8 0 1 a m 的m o 微晶，v i t l 0 6 非晶基体表现出明显的应变强化。日本正在试 验用纳米氧化铝与亚微米的二氧化硅合制成莫来石 4 1 ，这可能是一种非常好的电子 封装材料，目标是提高致密度、韧性和热导性；德国大学将纳米碳化硅( 小于2 0 ) 掺入粗晶碳化硅粉体中，当掺和量为2 0 时，这种粉体制成的块体材料的断裂韧性 总量提高了2 5 。 虽然目前对于这种复合组织的显微组织结构在晶体金属与非晶合金中已有了一 定的研究，但对于其力学性能的研究较少，尤其对复合材料的强度、断裂韧性有关 的理论预报较少，因为复合材料的强度预报比复合材料的有效性能预报要复杂得多。 对于复合材料来说，其组分材料、含量、细观结构等参数稍有变化将产生具有不同 宏观性能的不同材料，因此，试图通过实验获得所有材料组合的性能是不现实的。 目前，其组织形式基本上都是在硬强相的基体上加入软韧相。这方面虽有一些实验 】：作的例子和报道，但没有相关的模型工作。建立这模型对整个先进材料的韧化 将起到重要的推动作用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 本文旨在根据前人的实验结果与显微组织资料，建立一个强韧化模型，对不同 的复合组织的变形力学行为进行定量描述。确定细观力学研究所需代表单元体的提 取方法，作出基本前提假设，确定求解边界条件与计算终止条件，从而建立复合增 韧细观力学研究模型，利用有限元软件对此力学模型进行计算。 1 2 复合组织的定义 复合组织的定义是借助复合材料的定义。 1 2 1 复合材料的定义 复合材料的定义：由两种或两种以上的单一材料复合而成的材料【乳。这样定义 的复合材料是由不同形态存在的材料组成，如碳碳复合材料。复合材料不同于化合 物和合金材料，他们的区别在于复合材料中的组分材料始终作为独立形态的单一材 料而存在，而没有明显的化学反应。复合材料不是集中材料的简单组合，他的性能 比起组分材料更优越，更可显示出一些新的性能。根据国际标准化组织给复合材料 所下的定义，就是有两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多 相固体材料。 复合材料中的组分材料通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称 为增强材料，所以复合材料又可以分为基体相和增强相；分散相是以独立的相态分 布在整个连续相中，两相之间存在相界面嘲。分散相可以是纤维状，颗粒状，或是 弥散的填料。复合材料中各个组分虽然保持其相对独立性，但复合材料的性质却不 是各个组分性能的简单加和而是在保持各个组分性能的基础上凸显出组分所不具有 的性能。例如在硬质增强项增强的复合材料中，增强相是主要的承载单元，分布或 弥散于基体相中，基体相则起到联接增强相的作用，并在增强相之间传递载荷；延 性相增韧的复合材料中，基体相是主要的承载单元，延性相分布或弥散于基体相中， 在基体相中起到协调变形，增韧的作用。 1 2 2 复合组织的定义 复合组织的定义：由两种或两种以上的单一组织复合而成的具有比单一组织性 能更优越的组织。如：非晶材料、结构钢等，其组织形式基本上都是在硬强相的基 体上加入软韧相。非晶基体中加入延性的第二相粒子在提高韧性方面是个非常成 功的典范。c a l l gf a n 【7 j 对金属非晶基体( z r t o n h o c u 2 0 ) 8 2 t a g a l 】o 中沉淀出富含t a 的微 米尺度的固体颗粒，h c h o i y b n 3 】在非晶基体z r 5 7 n b 5 a 1 1 0 c u l 5 4 n i l 26 ( v i t l 0 6 ) q b j j i l z 强韧相m o ，n b 和t a 微晶，f s z u e c s l 8 】等在z r s 6 2 t i l 3 。s n b 5 a 1 l o c u 6 9 n i 56 b e l 25 ( v i t o 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 非晶基体中加入体心立方富含z r - t i 的树枝状b 相，这些都使基体相的韧性有了明 显改善。同样，结构钢的发展早期为铁素体珠光体复合组织，依靠珠光体以保持钢 的强度。双相钢通过在口+ ，临界区热处理或控轧工艺以获得有强化相马氏体和韧性 相铁索体为基体所组成的双相组织。马氏体、铁索体双相钢是根据复合材料强化理 论发展的复合显微组织强化机制并采用适宜的化学成分和热加工、热处理二 艺研制 成的。 1 3 复合效应 将a 、b 两种组分复合起来，得到既有a 组分的性能特征又具有b 组分的性能特 征的综合效果，称为复合效应嗍。复合效应实质上是由于组分a 与组分b 的性能及 它们之间所形成的界面性能相互作用和相互补充，使复合材料的性能在其组分材料 的性能基础上产生线性或非线性的综合性能，显然，由不同的复合效应可以获得种 类繁多的复合材料。同样，按照复合组织的定义，使复合组织的性能在其单一组织 的性能基础上产生线性或非线性的综合性能，由不同的复合效应可以获得不同的复 合组织。复合效应有正有负，即不同组分复合后，有些性能得到了提高，而另一些 性能则可能出现降低甚至抵消的现象。 1 3 1 复合组织的力学性能的改善 力学性能包括弹性模量、弹性延伸、拉伸强度( 或压缩强度) 、伸长率和冲击韧 性。非晶态金属具有高强度、高硬度，但塑性很差，通过从非晶态合金中沉淀出微 米晶或在非晶态合金中加入微米晶的方法可以有效地改善非晶态合金的塑性及韧 性。c a n gf a n 【6 j 对金属非晶基体( 强o n i l o c u 2 0 ) 8 2 t a 8 砧1 0 中沉淀出富含t a 的微米尺度 的固体颗粒的复合材料进行了研究：这种复合材料在单向挤压中不仅表现出高的屈 服强度( 1 7 4 g a ) ，而且在失效前有明显的应变强化和非常大的塑性变形，在拉伸试 验中也有一定的延展性。h c h o i y m a 删在非晶基体v i t l 0 6 中加入强韧相m o ，n b 和 t a 微晶，这些粒子与基体的润湿性良好，与基体的反应有限，与基体有相似的弹性 模量、泊松比、热膨胀系数。v i t l 0 6 具有高的屈服强度( 1 8 g p a ) ，高的弹性应变极 限( 2 ) 及硬度( 8 6g p a ) ，有沿个别的剪切带剪切失效的趋势。延性m o 、n b 和 t a 微晶加入非晶基体以后阻碍了剪切带的延伸，使它滑移速度变慢或停止而发生偏 转，因此推迟了失效，提高了基体材料的韧性。es z u e c s 7 】等在 z r s 6 蠲1 38 n b 5 础l o c u 6 9 n i 56 b e l 25 ( v i t l ) 非晶基体中加入体心立方富含z r - t i 的树枝状 p 相，两相化学平衡，有强的接触界面。v i t l 表现出的是典型的非晶的力学性能，b 相足软的、延性的具有加工硬化行为，两相复合后的复合组织具有优异的力学性能， 西安建筑科技大学硕士学位论文 拉伸极限强度达1 5 0 0 m p a 。复合材料的塑性及韧性都大大加强，这都主要是b 相的 作用。延性的微晶相增韧脆性的非晶相主要归结于【1 0 1 ：( 1 ) 延性相限制了剪切带的 延伸；( 2 ) 大量剪切带的生成；( 3 ) 断裂表面的增加。当沉淀相的尺寸大于剪切带 的宽度时，脆性断裂就开始了。 由传统晶粒尺寸的金属和合金的延展性( 失效延伸率) 推断，晶粒尺寸越小塑 性越好，然而，当晶粒减小到纳米级时，塑性却很低，通常对于晶粒尺寸小于2 5 n m 时，延伸率不到2 。通过把纳米晶材料与微米晶材料进行复合，其塑性有了显著 的提高【l ”。y i n m i n gw a t a g 1 所作的有关纳米纯铜的研究：在具有纳米微米双相组织 的铜复合材料中，均匀延伸有了明显地提高同时有显著的应变硬化，而强度没有明 显降低。在液氮温度下进行的加工中储存了高密度的缺陷和大量的冷加工能量使低 温下的再结晶形核率极高。所以大量的基体晶粒就保持为纳米，微米复合组织的形式 来保持复合材料的高强度。同时，二次再结晶中所产生的足够的( 体积百分比2 5 ) 大尺寸晶粒产生的应变硬化足以维持大应变所需的均匀变形。d a v i dw i t l d n 2 1 通过 粉末冶金的方法在a l 7 5 m g 纳米晶粉中加入1 5 和3 0 的未球磨微晶粉，微晶直 径为4 - 4 0 1 m a 。试验结果表明，纳米晶微米晶的复合组织的延伸率增加了7 1 和 2 8 6 。 1 3 2 复合组织增韧机理 这里主要研究延性颗粒增韧脆性基体的机理。在脆性基体中加入第二相延性颗 粒能够显著提高材料的断裂韧性，其增韧机理b 2 包括； ( 1 ) 塑性变形区导致的裂纹尖端屏蔽； ( 2 )主裂纹周围微开裂； ( 3 ) 延性裂纹桥。 复呱鱿耻峭犯渤 1 ) 式中琏。瑾体的临界断裂强度因子； d 一裂纹桥长度； 盯，延性颗粒的屈服强度； 西一常数。 克莱斯迪可( 鼬e s t i c ) 【1 3 等认为当基体与延性颗粒的a 、e 相等时，利用延性裂纹 桥可以达到最佳增韧效果。例如调节n a - l i a 1 s i 玻璃的a 、e 值使其与金属舢的a 、 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 e 值相等，当a l 体积含量为2 0 时，复合材料的断裂能从1 0 j m 2 增加到6 0 0j m 2 ， 提高了6 0 倍，而当a 、e 值相差足够大时，裂纹将绕过金属颗粒发展，这样就难以 发挥金属的延性性能，增韧效果较差。 而马歇尔”1 ( m a r s h a l l ) 等考虑到裂纹尖端形成塑性变形过程区观察到了更大 的增韧效果： k i 。= k 。4 - k 64 - k ， ( 1 - 2 ) 式中k 。诞性桥联增韧值； 世。一过程区增韧值。 k 。= 0 3 1 e ，p 缈v 2 ( 1 一1 2 v ，) ( 1 一v 2 ，) ，( 渺为过程宽度) ( 1 3 ) 1 4 复合组织形成过程 参考复合材料的设计内容，复合组织的形成过程按其内容包括复合组织的单元 组织的选择，对复合制造工艺的选择和对复合效应的估算；按照其对象分基体相和 增韧相的选择。 1 4 1 复合组织的选择 选择组成复合组织的单元组分应明确如下几点： ( 1 ) 各组织之间的相容性( 包括物理的、化学的和力学的相容性) ，如各组织之 问热膨胀系数是否匹配、组织之间在制造和服役期间是否会产生有害影响、在复合 组织承受载荷时各单元组织与复合组织的应变能否彼此协调。 ( 2 ) 按照各单一组织在复合组织中所起作用来确定增强组分的几何条件( 如颗粒 状、纤维状及它们的堆积状态等) 及其在复合组织中的位置与取向。 ( 3 ) 在制成复合组织后，其中的各单一组织应保持它们的固有的优秀性质，并能 扬沃避短、相互补充，产生所需要的复合效应。 1 4 2 复合组织的特性 本文研究基体组织：非晶态合金、纳米晶；增韧组织：微米晶。非晶态合金与 纳米晶材料共同的特征是：变形时无加工硬化现象或加工硬化很小，表现出脆性。 非晶态合金与纳米晶材料之间的联系：用晶化( c r y s t a l l i z a t i o n 或d e v i t r i f i c a f i o n ) 处 理( 如退火) 控制晶体的形核与生长，可以使材料的结构由非晶态部分或完全转变 西安建筑科技大学硕士学位论文 成为纳米晶。 a 非晶态合金 非晶态合金的主要特点是原子的三维空间呈拓扑无序状的排列，结构上它没有 品界与堆垛层错等缺陷存在，但原子的排列也不像理想气体那样的完全无序。非晶 态合金是以金属键作为其结构特征，虽然不存在长程有序，但在几个晶格常数范围 内保持短程有序。非晶态合金既是结构( 或物理) 无序，又是成分( 或化学) 无序。 为了区别非晶与微晶，定义非晶态合金的短程有序应小于1 5 1 a 。 ( 1 ) 非晶态台金的结构 非晶态结构的主要特征：晶体结构的根本特点是它的周期性，即通过点阵平移 操作可以与其自身重合。非晶态结构具有下述主要特点。 i 短程有序 通常把原子排列的周期性的消失，称为长程无序。在液体中，这种无序是原子 自由运动的结果。在非晶态合金中，原子主要是在平衡位置附近热振动。它的结构 无序性是在非晶态形成过程中保留下来的。非晶态材料的密度一般与同成分晶体相 差不多，也就是说原子的平均距离和相互作用都差不多，而且各原子的电子状态对 于晶态和非晶态来说一般也不会有很大的突变。换句话说结合力的类型制约着原子 的短程有序排列即原子的排列方式只能取某种特定的短程有序方式，但无法制约原 予的长程有序。所以，在非晶态金属中，最近邻原子间距与晶体的差距很小，配位 数也很相近。但是，在次近邻原子的关系上就可能有显著的差别。短程有序通常可 分为化学短程有序和拓扑短程有序。 乱非晶态合金与液态金属的结构比较 当温度接近熔点时，液态金属也会有短程有序结构，但是二者的短程有序有明 显的差异。液态金属的短程有序范围约为四个原子闻距，而非晶态合金则为五、六 个原子间距。液态中原子容易作大于其原子间距的扩散迁移，而非晶态合金的原子 主要做运动间距比原子间距离小得多的热运动。因此二者的结构是有质的差别的 1 4 l 。 非晶态合金与晶态合金的结构比较 通常非晶态金属的四面体密堆结构有下述特征： 1 均匀、无微晶且无序结构。 2 与晶态结构相似，每1 个金属原子有1 2 个近邻原子。 3 除第一峰以外，与晶态的面心立方及密堆六方结构中的原子间距不同，特别 是在q 处不出现峰，4 2 与紧挨密排面的距离相对应。 4 类金属原子m 之间互不为近邻。 5 类金属原子m 具有9 个近邻金属原子。 西安建筑科技大学硕士学位论文 此外，非晶态金属的结构常被看作是均匀的、各向同性的，这与晶态合金具有 显著的各向异性又有根本的判别。当然，这是就宏观而言。任何物质小到原予尺寸 都是不均匀的。各向异性是就宏观的原子的相对排列而言，实际非晶固体样品在制 备过程中或受外界作用后，也可能表现出不均匀性或各向异性。最后，非晶态结构 的另一重要性是亚稳性。熔点以下晶态就是自由能最低的状态，非晶态固体总有向 晶态转化的趋势。 ( 2 ) 非晶态合金的力学性能 非晶态金属硬度、强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料 1 8 1 。非晶态合金 的优异力学性能是它的一个突出特点，一宜受到人们的特别重视。在非晶态金属的 各种性能中，强度性能一直是非常引人注目的【1 9 1 。其中铁基和铬基非晶态金属的抗 张强度口可达4 0 0 0 m p a 左右，镍基的非晶也可达到3 5 0 0 m p a 左右，都比晶态钢丝 材料高：有些合金的硬度可达h v l 4 0 0 ，非晶态金属的弹性模量和剪切模量比晶态 合金低3 0 - - 4 0 ，各向同性。非晶态金属的t r e 比值约为0 0 2 ，即可与金属茎须 的值( o 0 6 4 ) 相比。非晶合金的硬度高。非晶态金属的无序结构使它具有高强度， 同时又具有高塑性和冲击韧性。它在变形时无加工硬化现象。和非金属玻璃的脆性 断裂不同，它的断裂是通过高度局域化的切变变形实现的，非晶态金属的动态性能 也很好，它有高的疲劳寿命和良好的断裂韧性。用非晶态金属和其他材料可以制成 高强度的复合材料。例如，h c h o i y i m ，r d c o n n e r t 3 等在金属非晶 z r 5 7 n b s a l l 0 c t l l 5 4 n i l 2 6 ( v i t l 0 6 ) 中加入体积分数为5 0 的延性t a , n b ，或m o 粒子， 这种复合组织在挤压和拉伸试验中其失效应变比非晶z r 5 t n b 5 a 1 1 0 c u l 5 水池6 失效应 变提高了1 2 倍，如图1 1 所示。 e ， 图1 1v i t l 0 6 及其与延性1 kn b ，或m o 粒子复合的复合物的压缩应力应变曲线” 7 “鼍口 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 弹陛 由于非晶态合金的混乱无序结构，其弹性行为应是各相同性的。而各相同性固 体的弹性行为只涉及到两个独立常数。我们可选用切变模量g 表征形状变化，体积 模量k 表征体积变化。这两个值与泊松比和弹性模量( 等轴弹性常数) e 之间关系 为： 3 6 = 1 g + 1 3 k ( 1 4 ) 即 e = 2 ( 1 + l ， ( 1 5 ) 首先，非晶态合金的弹性模量和切变模量比同成分晶态固溶体的值低，或低于 该合金在晶化处理后的值。 其次，对体积模量和泊松比而言，这种变化则相对的不明显。 第三，非晶态合金的k g 值，一般比晶态合金值高1 0 左右，但耍比s i 0 2 玻 璃的k g 值高得多。非晶态合金的高k g 值，表明了金属键的长程性，即非晶态合 金的结构不具有长程有序，但合金中的组成原予，保持金属键合。 i i 强度与硬度 非晶态合金在拉伸和压缩实验室，其应力应变曲线较为独特。在拉伸曲线上， 可明显见到在试样的永久变形为o 1 ，突然发生断裂。和一般晶态合金不同，它的 拉伸强度等于或小于屈服强度。通常，屈服和断裂同时发生。可以认为非晶态合金 的拉伸强度和屈服强度相等。 在非晶态合金的各种性能中，强度性能一直是非常吸引人注意的。铁基，钴基 非晶态合金的抗张强度盯均可达4 0 0 0 m p a 左右，镍基合金也可达到3 5 0 0 m p a 左右， 都比晶态高强度琴钢丝材料的值高。非晶态合金的盯e 比值约为0 0 2 ，即可与金属 胡须的值( o 0 0 4 ) 相比。 非晶态合金的强度，也可以由硬度来衡量。在晶态合金中，硬度和屈服强度之 比为3 左右。非晶态合金的实测h v o - 平均值与理论值是接近的，实际上，非晶态 合金的h v o - 值在2 5 3 0 之间。 i i i 变形 非晶态合金由于含有相当数量的类金属，特别是其结构与氧化物玻璃和聚合物 玻璃相似，也称作金属玻璃。然而，众所周知，无机玻璃是很脆的，有机玻璃的延 性虽略有提高，但也很容易脆断。 非晶态合金的塑性变形，是通过高度局域化的剪切带变形来实现的d h 钟。在个 别变形带中，会承受非常大的应变。曾本健和梅丁( m a d d i n ，r ) 在把p d 8 0 s i 2 0 快速 淬火制得后，它可对折1 8 0 。而不断裂，用透射电镜考察高度弯曲的p d 8 0 s i 2 0 合金的 西安建筑科技大学硕士学位论文 表面复型时，见到约2 0 0 a 宽的剪切带。非晶态合金的整个塑性应变由剪切带的数量 决定。虽然在个别剪切带中的局部塑性应变是非常大的，但是在没有约束的加载几 何条件下非晶在变形失效前，只有几个剪切带被击活，因此其塑性仍然很差【“。根 据实验结果可将非晶态合金的变形特征归纳如下： ( 1 ) 变形时无加工硬化现象或加工硬化很小。变形时有明显的高度局域化的塑性 剪切带的存在，便是一个很好的说明。 ( 2 ) 在远低于玻璃化温度t g 时，在各种变形形势下( 拉伸、弯曲和压缩) ，塑性 流动是不均匀的。 ( 3 ) 在t g 温度附近或在高于t g 温度而不产生结晶条件下变形，显示出均匀的( 牛 顿) 粘滞性流动。 巴比罗( p a m p i l l o ，c a ) 和陈鹤寿的实验证明了非晶态合金不存在加工硬化现象 他们将p d 7 75 c u 6 s i l 65 试样进行压缩变形，然后再将试样进行抛光，清除表面滑移台 阶。当再次加载时，原先存在的变形带就有显示出来了。显然，在存在加工硬化情 况下，这一现象是不会出现的。 b 纳米晶材料 ( 1 ) 纳米晶材料的结构特点 采用t e m 和x r d 等对纳米固体材料的结构进行了研究，结果表明【2 0 】：纳米晶 体材料是由晶粒组元和晶界组元所组成的，所有的原子都位于晶粒的格点上；纳米 非晶体材料是由非晶组元和界面组元所组成；纳米准晶体材料是由准晶组元和界面 组元所组成。晶粒组元，非晶组元和准晶组元统称为颗粒组元，晶界组元和界面组 元统称为界面组元。界面组元具有原子密度降低，最邻近原予配位数变化的特点。 这里，界面部分的平均原子密度比同成分的晶体少1 0 3 0 ，而典型的非晶体密 度大约为同成分晶体密度的9 6 9 8 。也就是说，界面密度的减少大约是非晶体 密度减少的5 1 0 倍。同时，晶界的原子间距差剐也较大，导致最邻近原子配位数 的变化。颗粒组元体积分数r 和界面体积分数c t 可用下式计算： r = 36 d ( 1 6 ) c t = 36 “d + 6 ) = 36 d ( 1 7 ) 其中：6 为界面平均厚度；d 为颗粒组元的平均直径；d 为颗粒的平均直径： d = 6 + d ( 1 8 1 假设粒子为立方体，则单位体积内的界面面积s t 为： s t = o t a w6a v f 1 9 1 单位体积内包含的界面数为： 西安建筑科技大学硕士学位论文 n f = s t d 2 ( 1 1 0 ) 如果颗粒组元的平均直径d 为5 m l a ，界面的平均厚度6 为l n m ，则用上述公式可得： 界面体积分数c t m 5 0 妒，单位体积内的界面面积s t - - 一5 0 0 r n 2 c m 3 ，单位体积内包含的界 面数n f - - 一2 x1 0 1 9 c m 3 这样庞大的界面对纳米固体材料的性能将产生很大的影响。 纳米晶体界面的原子结构取决于相邻晶粒的相对取向及晶界的倾角【2 】。如果晶粒 的取向是随机的，这晶界将具有不同的原子结构。这些结构可由不同的原子间距加以 区分。界面组元是所有这些界面结构的组合。如果所有界面的原子间距各不相同，则 这些界面的平均结果将导致各种可能的原子间距取值。因此可以认为界面组元的微观 结构与长程有序的晶态不同，也与短程有序的非晶态不同，是一种新型结构。 纳米非晶的结构与纳米晶体不同，它的颗粒组元是短程有序的非晶态，界面组 元内原子排列更混乱，是一种无序程度更高的纳米材料。上述计算纳米晶体界面的 共识，原则上也适用于纳米非晶材料。 ( 2 ) 纳米材料的力学性能概述 强度和塑性是任何材料的主要机械性质。它们通常是由塑性变形物理本质决定， 通常来说，粗晶金属主要是由位错决定。然而，纳米晶材料的塑性变形机制可能不 同于此而可能导致新的机械性质。 高强度，或硬度，已经在许多纳米材料中被观察到。但在大多数情况下这些纳 米材料的塑性非常低，当它们的形状改变时就失效。有些当应力或变形载荷被加载 时甚至表现为脆性。强度和塑性一般是相互矛盾的性质。强度越高则延展性越低， 反之亦然。这种相互关系与塑性本质相联系：位错越难出现和移动，晶体材料就越 强度高，越脆，同时塑性越差【1 。“1 8 】。 对纳米晶材料而言，硬度和强度的显著提高已经被报道了很多，大多是对纯金 属，少量是对合金和化合物1 1 9 】。在常规晶粒尺度的金属和合金中，塑性对较小晶 粒的外推表明，当晶粒尺度降低到纳米尺度时，塑性应该增长。然而，令人沮丧的是， 对大多数晶粒尺度小于2 5 n m 的纳米结构材料来说r o ，塑性很低，大多延伸率都低 于2 ，而同样的常规晶粒金属的延伸率却在4 0 - - 6 0 之间。 在已见到的关于纳米金属c u 、p d 、a g 、a u 的报导中 2 ”，其拉伸强度较普通粗 晶材料提高3 5 倍，但塑性太低，延伸率只有1 2 。关于纳米a l 的拉伸性能， 目前只见到b o n e t t i 等的一篇报导，他们给出的纳米铝的拉伸强度基本与普通退火粗 晶铝的相同，延伸率低于1 。这主要是样品制备过程中产生的微孔隙、杂质等原 因所致。另外，样品尺寸过小也是不能得到本征力学性能的原因之一。因此，制各 大尺寸高密度的纳米金属样品是目前研究纳米金属本征力学性能，特别是拉伸性能 的关键。d a v i d w i t l d n ，z l e e 等在2 0 0 3 年作了有关双相晶粒尺寸的a 1 m g 合金具有 高强度和提高的延展性的研究。他们首先把a 1 7 5 m g 粉球磨，固化，挤压生成纳米 西安建筑科技大学硕士学位论文 块体材料。这种纳米材料有拉伸屈服强度6 4 1 m p a ，最终强度8 4 7 m p a 。然后把不同 比例的未球磨粉体与球磨过的纳米粉混合生成双相晶粒的试样，这些试样具有高强 度和提高的延展性，见表1 1 及图1 2 。 表1 1a 卜7 5 m g 拉伸性能嘲 真 应 力 罨 巴 真应变( m m ) 图l _ 2a 1 7 5 m g 试样的拉伸曲线f