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文档简介

1、Abstract In this paper, the microstructures and mechanical properties of the two BMG composites with the same composition of Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5, which contain in situ formed dendritic and spherical b.c.c. -Zr (Ti, Nb) solid solutions, are compared based on micrograph observations, XRD

2、 analysis and uniaxial compression tests at room temperature. 由于纯金属性能上的局限性,实际使用的金属由于纯金属性能上的局限性,实际使用的金属材料绝大多数是材料绝大多数是合金合金。 由一种固相组成的合金由一种固相组成的合金称为称为单相合金单相合金;由几种不同;由几种不同相组成的合金称为相组成的合金称为多相合金多相合金。 (宏、微观)(宏、微观)组织组织指合金中有若干相以一定的指合金中有若干相以一定的数量、形状、尺寸组合而成数量、形状、尺寸组合而成的并且具有独特形态的部分。的并且具有独特形态的部分。2.3.2 中间相中间相 (金属间化

3、合物金属间化合物-intermetallics )固溶体固溶体中间相中间相(金属化合物金属化合物)相相 合金相结构合金相结构置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体正常价化合物正常价化合物电子化合物电子化合物间隙相间隙相间隙化合物间隙化合物超结构(有序固溶体超结构(有序固溶体; 超点阵)超点阵)与尺寸有关与尺寸有关拓扑密堆相拓扑密堆相 合金的组元之间以不同的比例相互混合,混合后合金的组元之间以不同的比例相互混合,混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同,形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同,这种相称为这种相称为固溶体固溶体;这种组元称为;这种组元称为溶剂溶剂,其他的组元即

4、,其他的组元即为为溶质溶质。 固溶体成分可以在固溶体成分可以在一定范围内变化,在一定范围内变化,在相相图图上表现为一个区域。上表现为一个区域。 固溶体在结构上的特点固溶体在结构上的特点是必须是必须保持溶剂组元的点阵保持溶剂组元的点阵类型类型。 点阵畸变点阵畸变 尽管结构类型尽管结构类型不变,但不变,但具体结构具体结构还是有所变化还是有所变化的。的。例如,当组元的原例如,当组元的原子尺寸不同时会引子尺寸不同时会引起的起的点阵畸变点阵畸变,原,原子尺寸相差越大,子尺寸相差越大,引起的畸变也越大。引起的畸变也越大。 置换固溶体置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而

5、形成的固溶体称置而形成的固溶体称置换固溶体置换固溶体。当溶剂和溶质原子直。当溶剂和溶质原子直径相差不大,一般在径相差不大,一般在15以内时,易于形成置换固溶体。以内时,易于形成置换固溶体。 形成形成无限置换固溶体无限置换固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体,溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体,称为称为间隙固溶体间隙固溶体。 当溶质当溶质原子半径原子半径很小,使溶质与溶剂的原子半径差很小,使溶质与溶剂的原子半径差r r 41%41%时,溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中而形成间隙固溶时,溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中而形成间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素,都

6、是属于半径小于体。形成间隙固溶体的溶质元素,都是属于半径小于0.lnm0.lnm的的非金属元素,如非金属元素,如H H、O O、 N N、C C、B B等。等。 C在在bcc -Fe和和fcc -Fe中都处于中都处于8面体间隙中形成面体间隙中形成间隙固溶体(为什么?)间隙固溶体(为什么?)(解释为什么解释为什么-Fe比比-Fe溶溶C量大?)量大?) 溶质原子溶入溶剂后,将使溶剂的晶格常数溶质原子溶入溶剂后,将使溶剂的晶格常数改变,并使晶格发生畸变改变,并使晶格发生畸变; ;溶入的溶质原子越多,溶入的溶质原子越多,溶剂晶格畸变也越大。当溶质原子较小时,溶剂溶剂晶格畸变也越大。当溶质原子较小时,溶

7、剂晶格畸变也较小。由于溶剂晶格中的间隙是有一晶格畸变也较小。由于溶剂晶格中的间隙是有一定限度的,所以定限度的,所以间隙固溶体都是有限固溶体间隙固溶体都是有限固溶体。 在热力学平衡状态下,固溶体的成分在热力学平衡状态下,固溶体的成分从宏观从宏观看来是均匀看来是均匀的,但从的,但从微观看微观看来其溶质原于的分来其溶质原于的分布往往是布往往是不均匀不均匀的。的。ABBBAAEEEABBBAAEEE2ABBBAAEEE2 原子结合能原子结合能 E 两个孤立原子形成化学键后释放的能两个孤立原子形成化学键后释放的能量。结合能是内能,故其越小系统越稳定。量。结合能是内能,故其越小系统越稳定。 某些合金,当其

8、成分某些合金,当其成分接近一定原子比时,较高接近一定原子比时,较高温度时为短程有序,缓冷温度时为短程有序,缓冷到某一温度以下,会转变到某一温度以下,会转变为完全有序状态称为为完全有序状态称为有序有序固溶体固溶体,这一转变过程称,这一转变过程称为为固溶体的有序化固溶体的有序化。有序。有序固溶体又称固溶体又称超结构或超点超结构或超点阵阵。 固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总是比组成它的纯固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总是比组成它的纯金属的平均值高,随着溶质原子浓度的增加,硬度和强度也随金属的平均值高,随着溶质原子浓度的增加,硬度和强度也随之提高。这就是之提高。这就是固溶强化固溶强化。 溶质原

9、子与溶剂原子的溶质原子与溶剂原子的尺寸尺寸差别越大,所引起的差别越大,所引起的晶格畸变晶格畸变也越大,也越大,强化效果也越好强化效果也越好。 由于由于间隙原子间隙原子造成的晶格畸变比造成的晶格畸变比置换原子置换原子的大,所以其的大,所以其强强化效果也较好化效果也较好。 在在塑性、韧性塑性、韧性方面,如伸长率、断面收缩率和冲击功等,方面,如伸长率、断面收缩率和冲击功等,固溶体固溶体要比组成它的两个要比组成它的两个纯金属纯金属的平均值低,但比一般的平均值低,但比一般化合物化合物要高的多。要高的多。 综合看,固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机综合看,固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机

10、械性能,因此械性能,因此各种金属总是以固溶体为其基体相各种金属总是以固溶体为其基体相。 构成合金的各组构成合金的各组元间除了相互溶解而元间除了相互溶解而形成形成(端际)固溶体(端际)固溶体外,当超过固溶体的外,当超过固溶体的最大溶解度时,还可最大溶解度时,还可能形成新的合金相,能形成新的合金相,又称为又称为中间相中间相。 中间相大多数是中间相大多数是由不同的金属或金属由不同的金属或金属与亚金属组成的化合与亚金属组成的化合物,这类中间相也称物,这类中间相也称金属间化合物金属间化合物。 固溶体固溶体在结构上的在结构上的特点是必须特点是必须保持溶剂组保持溶剂组元的点阵类型元的点阵类型。 中间相中间相

11、具有完全不具有完全不同于各组成元素的晶体结同于各组成元素的晶体结构,各组元原子按一定规构,各组元原子按一定规则在晶格中呈有序排列,则在晶格中呈有序排列,这是与固溶体最重要的区这是与固溶体最重要的区别。别。Fe3C(渗碳体渗碳体)的晶体结构的晶体结构 中间相中间相的结合键取决于组元元素之间的的结合键取决于组元元素之间的电负性差电负性差。电负性相近的元素,形成的中间相多以金属键为主;而电负性相近的元素,形成的中间相多以金属键为主;而电负性相差较大时,倾向于以离子键或共价键结合,但电负性相差较大时,倾向于以离子键或共价键结合,但一般都具有一定程度的金属性。一般都具有一定程度的金属性。 中间相中间相的

12、原子通常按一定或大致一定比例组成,的原子通常按一定或大致一定比例组成,可以用可以用化学分子式化学分子式表示,但是除正常价化合物以外,表示,但是除正常价化合物以外,大多数中间相的分子式大多数中间相的分子式不遵循化学价规则不遵循化学价规则,许多中间,许多中间相的成分可以在一定范围内变化,在相图上表现为一相的成分可以在一定范围内变化,在相图上表现为一个区域,形成以化合物为基的个区域,形成以化合物为基的二次固溶体二次固溶体,比分子式,比分子式多出的某组元的原子可以占据中间相中其他组元的位多出的某组元的原子可以占据中间相中其他组元的位置,或者中间相中某一不足原子比的组元所占据的位置,或者中间相中某一不足

13、原子比的组元所占据的位置空缺,形成所谓置空缺,形成所谓缺位固溶体缺位固溶体。两种原子半径差很大两种原子半径差很大形成形成间隙相间隙相和和间隙化合物间隙化合物;原子半径中等程度差别原子半径中等程度差别形成形成拓扑密堆相拓扑密堆相。 一些化合物的特性与组成元素一些化合物的特性与组成元素原子尺寸差原子尺寸差有关有关 当当rx/rm0.59时,化合物时,化合物具有比较具有比较简单的晶体结构简单的晶体结构,称为称为间隙相间隙相 . 当当rx/rm0.59时,化合物具有比较时,化合物具有比较复杂的晶复杂的晶体结构体结构,称为,称为间隙化合物间隙化合物. 间隙相间隙相与与间隙固溶体间隙固溶体之间有着之间有着

14、本质的区别本质的区别 间隙相间隙相是一种化合物,它具有与其组元是一种化合物,它具有与其组元完全不同的晶体结构;完全不同的晶体结构; 间隙固溶体间隙固溶体则仍保持着溶剂组元的晶格则仍保持着溶剂组元的晶格类型。类型。 在单元素组成的晶体中,由等径刚球模型堆积所能得到的在单元素组成的晶体中,由等径刚球模型堆积所能得到的最密集结构就是最密集结构就是面心立方面心立方和和密排六方密排六方结构,结构,致密度致密度0.74及及配位配位数数12已是最大值了,结构中存在着较大的已是最大值了,结构中存在着较大的八面体间隙八面体间隙和较小的和较小的四面体间隙。四面体间隙。 当组成合金的异类原子尺寸不同时,采用大、小两

15、种刚球当组成合金的异类原子尺寸不同时,采用大、小两种刚球的适当配合,可得到主要为四面体间隙而八面体间隙很少或没的适当配合,可得到主要为四面体间隙而八面体间隙很少或没有的复杂相结构,即按拓扑学的配合规律形成空间利用率很高有的复杂相结构,即按拓扑学的配合规律形成空间利用率很高和配位数超过和配位数超过12(如(如12、14、15、16等)的一类化合物,由于其等)的一类化合物,由于其结构具有拓扑学特点而被称之为结构具有拓扑学特点而被称之为拓扑密堆拓扑密堆(Topologically Close-Packed)相相,简称,简称TCP相相,以区别于通常的,以区别于通常的几何密堆相几何密堆相。 几何密堆相几

16、何密堆相的空间利用率和原子配位数比由纯金属原子构的空间利用率和原子配位数比由纯金属原子构成的面心立方和密排六方构的几何密堆结构还要高。成的面心立方和密排六方构的几何密堆结构还要高。 TCP相的类型很多,常见的有相的类型很多,常见的有拉弗斯拉弗斯(Laves)相相和和相相。 如前所述,对于某些合金,当其成分接近一定如前所述,对于某些合金,当其成分接近一定原子比时,较高温度时为短程有序,缓冷到某一温原子比时,较高温度时为短程有序,缓冷到某一温度以下,会转变为完全有序状态称为度以下,会转变为完全有序状态称为有序固溶体有序固溶体,这一转变过程称为固溶体的有序化。有序固溶体又这一转变过程称为固溶体的有序

17、化。有序固溶体又称称超结构超结构或或超点阵超点阵。 超结构的主要类型是形成于超结构的主要类型是形成于面心立方面心立方、体心立方体心立方或或密排六方密排六方三类结构的固溶体中。三类结构的固溶体中。有序化对合金性能的影响有序化对合金性能的影响 有序化使固溶体的有序化使固溶体的电阻率急剧降低电阻率急剧降低; 使合金的硬度增加,主要用于原子结合使合金的硬度增加,主要用于原子结合力增强、反相畴的存在等,都会增加塑性力增强、反相畴的存在等,都会增加塑性变形阻力,从而提高了合金的变形阻力,从而提高了合金的屈服强度和屈服强度和硬度硬度。 中间相的性能中间相的性能明显不同于各组成元素的性明显不同于各组成元素的性

18、能,一般是能,一般是硬而脆硬而脆。 工业上应用最广泛的工业上应用最广泛的结构材料结构材料和和工具材料工具材料,由于金属化合物一般均具有由于金属化合物一般均具有较高的熔点和硬度较高的熔点和硬度,当合金中出现金属化合物相时,将使合金的当合金中出现金属化合物相时,将使合金的强强度、硬度、耐磨性及耐热性度、硬度、耐磨性及耐热性提高(但提高(但塑性塑性韧韧性性有所降低)。有所降低)。 中间相还具有特殊的性能,如中间相还具有特殊的性能,如超导性超导性、形形状记忆效应状记忆效应等。例如能记住原始形状的记忆合等。例如能记住原始形状的记忆合金金NiTi和和CuZn;具有;具有半导体性能半导体性能的金属化合物的金

19、属化合物GaAs,其性能远远超过了目前广泛应用的硅半,其性能远远超过了目前广泛应用的硅半导体材料,目前正应用在发光二极管的制造上,导体材料,目前正应用在发光二极管的制造上,作为超高速电子计算机的器件已引起了世界的作为超高速电子计算机的器件已引起了世界的关注。关注。 具有低热中子俘获截面的具有低热中子俘获截面的核反应堆材料核反应堆材料Zr3Al,能作为新一代能源的,能作为新一代能源的储氢材料储氢材料LaNi5等等等。等。 陶瓷陶瓷的晶体结构大多属的晶体结构大多属离子晶体离子晶体。 陶瓷材料属于陶瓷材料属于无机非金属材料无机非金属材料,是由金属与,是由金属与非金属元素通过离子键或兼有离子健和共价键

20、的非金属元素通过离子键或兼有离子健和共价键的方式结合起来的。方式结合起来的。 典型的离子晶体是典型的离子晶体是A A族碱金属与族碱金属与AA族卤族族卤族元素之间形成的化合物。元素之间形成的化合物。 鲍林(鲍林(L. Pauling)L. Pauling)于于19281928年以简单的几何年以简单的几何原理为基础,总结出了对离子化合物晶体结构分原理为基础,总结出了对离子化合物晶体结构分析有指导作用的五条规则,即称之为析有指导作用的五条规则,即称之为鲍林规则鲍林规则。 iiiinZSZ 离子晶体按其化学组成分为二元化合离子晶体按其化学组成分为二元化合物和多元化合物。其中二元化合物中有绍物和多元化合物。其中二元化合物中有绍AB AB 型型,AB2 AB2 (A2BA2B)型和)型和A2B3A2B3型化合物。型化合物。 典型的典型的AB AB 型离子晶体型离子晶体NaClNaCl型型结构结构(B1B1) 元素周期表中元素周期表中族元素、许多无机非族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合。金属材料和聚

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