非晶态材料的热处理强化与塑性提升

非晶态材料的热处理强化与塑性提升

I目录

■CONTENTS

第一部分非晶态材料热处理强化的机理........................................2

第二部分塑性提升的工艺优化策略............................................4

第三部分形变诱发非晶态结构演变............................................6

第四部分时效处理对晶态相析出的影响........................................9

第五部分热机械耦合处理的强化效果..........................................II

第六部分非晶态材料塑性机制的探索.........................................13

第七部分热处理条件对材料性能的影响.......................................16

第八部分非晶态材料强化与塑性的应用前景...................................18

第一部分非晶态材料热处理强化的机理

关键词关键要点

主题名称：缺陷演化

1.热处理过程中，非晶态材料中存在的晶体缺陷如纳米晶

体会发生迁移和重组。

2.适当的热处理条件下，晶体缺陷会逐渐消除，导致材料

的非晶态程度提高C

3.非晶态程度的提高增强了材料的均匀性和稳定性，从而

提升材料的强度和弹性模量。

主题名称：玻璃态转变

非晶态材料热处理强化的机理

结构弛豫和相变

热处理是非晶态材料强化和塑性提升的关键技术之一。热处理过程涉

及以下结构演变：

*结构弛豫：非晶态材料在高于玻璃化转变温度(T—g)下热处理时，

其原子结构会逐渐向更稳定的无序态弛豫。这会导致密度增加、自由

体积减少。

*非晶态相变：在高于结晶温度(T_x)下的热处理过程中，非晶态

结构可以发生相变，形成纳米晶体、准晶体或其他有序结构。这些有

序区的引入可以阻止剪切带的扩展，从而提高强度和塑性。

游离体积的变化

热处理对非晶态材料的游离体积具有显著影响。游离体积是指原子或

分子之间的空隙空间。在低于T_g时热处理导致结构弛豫，减少游离

体积。这使得材料更致密、强度更高。

在高于T_x时的热处理过程中，非晶态相变可以引入有序区的界界

面，这些界界面可以充当空隙汇，增加游离体积。这有助于塑性变形，

同时保持较高的强度。

剪切带形成和扩展

非晶态材料的变形机制通过剪切带形成和扩展来实现。剪切带是高度

局域化的塑性流动区域。热处理可以通过影响剪切带的形成和扩展来

调节材料的强度和塑性。

结构弛豫可以通过减少游离体积来抑制剪切带的形成。有序区的引入

也可以阻碍剪切带的扩展。两者相结合，可以提高材料的强度。

应变诱导结晶

某些非晶态材料在变形过程中会发生应变诱导结晶(SIC)oSIC是指

在剪切作用下，非晶态结构局部有序化形成纳米晶体或其他晶体结构。

SIC可以通过引入硬质晶体区域来加强材料，同时通过改善与非晶态

基体的界面结合来增强韧性。

具体数据

热处理对非晶态材料强度的影响在不同材料和处理条件下有所不同。

例如：

*Zr-Cu-Ni-Al非晶态合金在55CTC热处理后，强度可提高30机塑

性提高5%0

*Fe-Co-B-Si-Nb非晶态合金在600七热处理后，屈服强度提高30%,

延伸率提高20机

*Pd-Cu-Ni-P非晶态合金在50(TC热处理后，室温下的断裂韧性提高

了30%以上。

总结

热处理是增强非晶杰材料强度和塑性的有效技术。通过结构弛豫、相

变、游离体积变化、剪切带形成和应变诱导结晶等机制，热处理可以

优化材料的微观结构，从而改善其力学性能。

第二部分塑性提升的工艺优化策略

关键词关键要点

【塑性提升的工艺优化策

略】1.应用剪切变形、轧制或热挤压等塑性变形技术，通过引

主题名称：变形诱导塑性提入位错和晶界，破坏非晶态材料的刚性结构，诱发内部结

升构重组。

2.变形诱导的缺陷充当塑性形变的载体，通过位错滑移和

晶界滑移机制，促进材料塑性变形能力。

3.优化变形工艺参数，如温度、变形速率和累积变形量，

可精确控制缺陷引入，从而最大化材料塑性提升效果。

主题名称：成分设计与合金化

塑性提升的工艺优化策略

提高非晶态材料的塑性至关重要，这涉及在热处理过程中优化工艺参

数。以下概述了关键策略：

1.退火温度和时间优化

退火温度对塑性有显著影响。较高的温度可促进晶粒生长和相分离,

从而降低塑性。因比，选择恰当的退火温度至关重要。

*优化退火时间：退火时间应足够长，以允许原子迁移和应力消除。

然而，过长的退火时间会导致晶粒粗化和塑性下降。

2.冷却速率控制

冷却速率决定了材料的非晶态程度和结构。快速冷却有利于形成非晶

态结构，从而提高塑性。

*优化冷却速率：冷却速率应足够快，以抑制晶体形成。然而，过度

快速的冷却会导致内部应力积累和塑性降低。

3.压力辅助退火

在退火过程中施加压力可抑制晶粒生长和缺陷形成，从而提高塑性。

*优化压力水平：压力水平应足够高，以抑制晶粒生长，但又不能过

高，导致材料脆化C

*优化压力时间：压力应在退火过程中维持足够长的时间，以确保完

全塑化。

4.预变形处理

在退火前进行预变形处理可引入位错和李晶，从而促进晶粒细化和塑

性提高。

*优化预变形程度：预变形程度应足以引入缺陷，但又不能过大，导

致材料内部破裂。

5.合金成分优化

合金元素的添加可以影响材料的塑性。例如，添加少量Ti、Zr或Hf

等过渡金属可以抑制晶粒生长和增强晶界强度。

6.表面处理

表面处理，例如离子注入或激光处理，可引入表面压应力，从而提高

材料的表面塑性。

*优化表面处理参数：表面处理参数，诸如离子剂量或激光功率，应

根据材料特性和所需的塑性水平进行调整。

7.成分梯度结构

成分梯度结构通过逐渐改变材料成分，可以减少内部应力并提高材料

的整体塑性。

*优化成分梯度：成分梯度应根据材料特性和所需的塑性水平进行设

计。

工艺优化实例

以下是一些工艺优化实例，展示了如何通过优化工艺参数来提高非晶

态材料的塑性：

*Fe-Si-B-Nb-Cu非晶态合金：通过将退火温度从600°C提高到

630°C并缩短冷却时间，将其塑性提高了35机

*Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶态合金：通过在退火过程中施加1GPa压力，

将其塑性提高了2倍。

*Ti-Zr-Hf-Cu-Ni非晶态合金：通过添加少量Zr和Hf,将其塑性提

高了50%o

*Fe-Cr-Mo-C-B-P非晶态合金：通过引入表面压应力，将其表面塑性

提高了40%o

通过系统地优化工艺参数，可以实现非晶态材料的塑性大幅提高。这

对于提高非晶态材料在各种应用中的性能至关重要，例如航空航天、

医疗器械和电子设备。

第三部分形变诱发非晶态结构演变

关键词关键要点

【形变诱发非晶态结构演

变】1.外加应力诱发原有键合的断裂和重组，从而促进非晶态

结构的转变。

2.形变过程中的剪切力促使原子或分子沿着特定方向发生

位移，导致非晶态结构的局部有序化和非均质化。

3.应变诱发非晶态结构的非均匀演变，导致材料性能的各

向异性变化。

【非晶态组织形变诱发相变】

形变诱发非晶态结构演变

非晶态材料在塑性变形过程中，其原子结构会发生显著的变化，从而

影响材料的力学性能和热稳定性。形变诱发非晶态结构演变主要包括

以下几个方面：

剪切带形成和非晶化

当非晶态材料承受剪切载荷时，将形成剪切带。在剪切带内，原子会

发生剧烈运动，导致局部结构的破坏和非晶化。非晶化的程度取决于

剪切应变的大小和温度。

纳米晶体的析出

在剪切带中，部分非晶原子会重新排列成准晶或纳米晶结构。这些纳

米晶体的形成可以提高材料的强度和硬度，但同时也会降低材料的延

展性。

相变诱发塑性(TRIP)效应

在某些非晶态材料中，形变可以诱发相变，从无定形结构转变为晶体

结构。这种相变被称为相变诱发塑性(TRIP)效应。TRIP效应可以显

著提高材料的延展性和韧性，是提高非晶态材料塑性的重要机制。

非晶态团簇的变形和断裂

非晶态材料往往包含一些非晶态团簇。这些团簇在变形过程中会发生

形变和断裂，从而导致材料的塑性变形。团簇的尺寸、形状和分布对

材料的塑性性能有重要影响。

形变诱发非晶态结构演变的力学行为

形变诱发非晶态结构演变可以导致材料力学行为的显著变化，包括:

强化效应：纳米晶体的析出和相变可以提高材料的强度和硬度。

塑性提升：TRIP效应和非晶态团簇的变形可以提高材料的延展性和

韧性。

热稳定性降低：非晶化的发生会导致材料的热稳定性降低，使其在高

温下容易发生结晶。

形变诱发非晶态结构演变的应用

形变诱发非晶态结构演变在以下领域具有潜在的应用前景：

高强度、高延展性材料：通过优化非晶态材料的形变诱发结构演变，

可以制备高强度、高延展性的材料，用于航空航天、汽车和医疗等领

域。

抗震材料：TRIP效应可以显著提高材料的韧性，使其在受到冲击载荷

时表现出良好的抗震性能。

生物医用材料：非晶态材料的塑性变形可以诱发生物相容性改善，从

而用于骨骼修复和牙科植入体等生物医用领域。

实验表征和建模

形变诱发非晶态结构演变的实验表征和建模至关重要，可以深入了解

材料的变形机制和力学性能。常用的实验表征技术包括透射电子显微

镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和力学性能测试建模方法包括晶格动

力学模拟、分子动力学模拟和相场模型。

第四部分时效处理对晶态相析出的影响

关键词关键要点

【时效处理对晶态相析出的

影响】：1.时效处理可促进晶态相的析出，提升材料的强度和硬度。

2.时效温度和时间对晶态相的析出形态和尺寸有显著影

响。

3.晶态相的析出机制包行溶解度降低、形核和生长过程。

【析出相的成分和形态】：

时效处理对晶态相析出的影响

时效处理作为一种热处理技术，旨在通过保温或加热来促进非晶态材

料中晶态相的析出，从而增强其强度和韧性。时效处理对晶态相析出

的影响是其强化效果的关键因素。

析出动力学

在时效过程中，非晶态材料的原子通过扩散和重排逐渐形成晶核。晶

核的形成和生长速率取决于温度、时效时间和材料组成等因素。

通常情况下，随着时效温度的升高，晶核形成率和生长速率增加，导

致晶态相析出更迅速。然而，过高的温度也可能导致过快的晶化，从

而形成粗大的晶粒，降低材料的韧性。

时效时间也影响析出动力学。较长的时效时间允许更多的晶核形成和

生长，导致晶态相体积分数的增加。然而，过长的时效时间会导致晶

粒粗化和性能下降C

晶态相

时效处理中析出的晶态相的类型和形貌取决于材料的成分和热处理

条件。常见的晶态相包括：

*纳米晶粒：尺寸在10-100nm范围内的细小晶粒，通常具有高强

度和韧性。

*棒状相：形貌呈棒状或针状的晶体，可以提高材料的抗拉强度和韧

性。

*板状相：形貌呈板状的晶体，可以改善材料的断裂韧性和疲劳性能。

晶态相的体积分数、尺寸和分布对材料的性能有显著影响。

强度和韧性的增强

通过时效处理析出的晶态相可以强化非晶态材料，主要通过以下机制:

*晶界强化：晶态石与基体的晶界阻碍位错运动，提高材料的屈服强

度。

*相界强化：晶态相与基体之间的界面充当晶界，可以阻碍裂纹扩展，

提高材料的韧性。

*纳米尺寸效应：纳米尺度的晶粒可以抑制裂纹形成和扩展，提高材

料的强度和韧性。

具体数据

时效处理对非晶态材料强度和韧性的提升程度因材料类型和热处理

条件而异。例如：

*镁基非晶态合金经过时效处理，其屈服强度可提高约30%,断裂韧

性提高约50%o

*铁基非晶态合金经过时效处理，其抗拉强度可提高约20%,延伸率

提高约5%o

*把基非晶态合金经过时效处理，其断裂韧性可提高约3倍。

结论

时效处理对晶态相析出的影响是理解非晶态材料热处理强化和塑性

提升的关键因素。通过控制时效温度和时间，可以优化晶态相的类型、

尺寸和分布，从而显著提高材料的强度和韧性。

第五部分热机械耦合处理的强化效果

关键词关键要点

【热机械耦合处理对非晶态

材料强化效果】：1.热机械耦合处理通过加载外力并同时加热非晶态材料，

可以有效抑制结晶和引入内部应力，从而提高材料的强度

和硬度。

2.外力诱导的塑性变形和热激活的原子迁移共同作用，促

进了晶体的形成和微米或纳米尺寸晶粒的均匀分布，从而

增强了材料的抗拉强度和断裂韧性。

3.通过优化处理条件，如温度、应变速率和保持时间，可

以定制材料的强化效果，实现所需的机械性能。

【热机械耦合处理对非晶态材料塑性提升】：

热机械耦合处理的强化效果

热机械耦合处理（TMP）是一种结合了热欠理和机械变形技术的强化

方法，旨在提高非晶态材料的强度、塑性和韧性。TMP通过以下机制

发挥作用：

*晶体化抑制：TM。可以阻止或延迟非晶态材料在高温下的晶体化,

从而保持其非晶态结构和独特的proprietesmecaniqueso晶体

化的发生会破坏非晶态材料的均匀性，降低其强度和塑性。

*内部应力引入：TMP过程中施加的机械变形会在材料中引入内部应

力。这些应力可以阻止位错的运动，从而强化材料并提高其机械性能。

*纳米结晶析出：在某些情况下，TMP可以促进纳米结晶的形成，从

而提高材料的强度和韧性。这些纳米结晶可以作为晶界阻挡位错运动,

提高材料的抗拉强度和断裂韧性。

强化的具体机制

TMP强化的具体机制取决于非晶态材料的成分、热处理条件和机械变

形程度。以下是一些常见的强化机制：

*位错塞：TMP引入的内部应力会阻止位错的运动，从而增加材料的

流动应力。这会提高材料的强度和硬度。

*晶界强化：纳米结晶的析出会形成晶界，这些晶界可以阻挡位错的

运动。这会提高材料的强度和韧性。

*固溶强化：TMP过程中施加的机械变形会促进合金元素在基体中的

固溶，从而提高材料的强度和硬度。

塑性的提升

TMP不仅可以提高非晶态材料的强度，还可以提升其塑性。这是因为

TMP可以：

*降低剪切带的形成：TMP引入的内部应力可以抑制剪切带的形成，

从而提高材料的塑性。剪切带是导致非晶态材料脆断的主要原因之一。

*促进局部非晶化:在某些情况下,TMP可以促进局部非晶化的发生，

从而提高材料的塑性和韧性。局部非晶化的区域可以作为能量吸收器,

防止材料脆断。

数据的支持

大量的实验数据支持TMP对非晶态材料的强化效果。例如：

*研究表明，对Zr-Cu-Al-Ni非晶态合金进行TMP处理后，其抗拉强

度提高了20%,断裂韧性提高了50%。

*对Fe-B-Cr非晶态合金进行TMP处理后，其屈服强度提高了3096,

断裂伸长率提高了100%。

*对Mg-Zn-Ca非晶态合金进行TMP处理后，其屈服强度提高了50%,

断裂韧性提高了10倍以上。

结论

热机械耦合处理是一种有效的强化方法，可以提高非晶态材料的强度、

塑性和韧性。通过抑制晶体化、引入内部应力、促进纳米结晶析出和

降低剪切带的形成，TMP可以显著改善非晶态材料的机械性能。

第六部分非晶态材料塑性机制的探索

关键词关键要点

剪切带纳米晶化

1.非晶态材料在变形过程中发生剪切带纳米晶化，形戌高

强度纳米晶区和低强度非晶区。

2.纳米晶区的晶界阻碍位错运动，增强材料的强度。

3.非晶区提供变形通道，提高材料的塑性。

玻璃转变诱导塑性

1.非晶态材料在玻璃转变温度附近表现出玻璃转变诱导塑

性（GIP）。

2.GIP涉及剪切带非晶态区软化和流动，促进材料的变形。

3.GIP可以有效提高材料的塑性和韧性。

自由体积及其作用

1.自由体积是指非晶态材料中原子或分子之间的空隙空

间。

2.自由体积的高度决定了材料的季性.

3.施加载荷可以增加自由体积，从而提高材料的塑性。

纳米李晶强化

1.纳米李晶是晶体结构中具有相同晶向关系的两个晶粒的

界面。

2.纳米李晶可以阻碍位错运动，增强材料的强度。

3.非晶态材料中的纳米李晶可以有效地提高材料的塑性和

强度。

应变诱导结晶

1.在变形过程中，非晶杰材料可以发生应变诱导结晶，形

成纳米晶相。

2.纳米晶相的形成可以漕强材料的强度和硬度。

3.应变诱导结晶的程度可以通过控制变形条件来调控。

非晶态材料塑性的应用

1.非晶态材料的高强度知高塑性使其在各种应用领域具有

潜力。

2.非晶态材料已被用于制造高性能刀具、医疗器械和电子

元件。

3.非晶态材料的塑性机制研究对材料科学和工程具有重要

意义。

非晶态材料塑性机制的探索

非晶态材料塑性的研究是一个具有挑战性的课题，它涉及多尺度机制

的复杂相互作用。尽管存在这些挑战，但对非晶态材料塑性行为的理

解取得了显著进展。

剪切带形成和流动

塑性变形的关键机制是剪切带的形成和流动。在非晶态材料中，剪切

带是局部化的非弹性流动带，其形成和运动会导致宏观的塑性变形。

剪切带的形成是由应力集中、局部屈服和剪切流动不稳定性驱动的。

局部有序化和结晶

剪切带流动过程涉及局部有序化和结晶的形成。随着剪切变形增加,

剪切带内原子排列变得更加有序，形成纳米晶或微晶区。结晶过程提

供了额外的阻力，导致剪切带内的应力集中和进一步的塑性变形。

剪切带分支和合并

剪切带的演化受其分支和合并过程的影响。随着剪切变形进行，现有

剪切带会分支形成新的剪切带，从而增加塑性变形能力。然而，剪切

带之间的相互作用和竞争也会导致剪切带合并，限制塑性变形。

热激活过程

非晶态材料塑性变形也受热激活过程的影响。提高温度会增加原子流

动性，促进局部有序化和结晶，从而增强塑性变形。然而，过高的温

度会加速材料的热老化和结晶化，从而降低塑性。

塑性变形诱导的结构演变

塑性变形会引起非晶态材料的结构演变。随着剪切变形增加，材料的

自由体积减小，局部有序度增加。这些结构变化会导致材料的力学性

能发生变化，包括塑性变形能力的增强。

实验证据

通过多种实验技术，包括原位透射电子显微镜、变形后的纳米压痕和

同步辐射X射线散射，已经观察到了非晶态材料塑性变形的剪切带机

制、局部有序化、结晶形成和热激活过程。这些实验结果为非晶态材

料塑性的机制提供了有力的证据。

工程应用

对非晶态材料塑性机制的理解对于开发具有增强塑性和机械性能的

先进非晶态材料具有重要意义。通过控制热处理条件、合金成分和微

观结构，可以调控塑性变形行为，使其适应各种工程应用。

第七部分热处理条件对材料性能的影响

关键词关键要点

主题名称：保温温度的影响

1.保温温度升高，材料的晶粒尺寸增大，导致强度降低。

2.保温温度过低，晶粒细化不足，无法有效提升材料强度。

3.优化保温温度，可实现晶粒细化和强化效果的平衡，显

著提升材料强度。

主题名称：保温时间的影响

热处理条件对非晶态材料性能的影响

热处理是修改非晶杰材料性能的关键技术手段，通过精心控制热处理

条件，可以显著增强其强度、硬度和塑性，同时改善其韧性、耐磨性

和耐腐蚀性。以下探讨热处理条件对非晶态材料性能的影响：

1.退火温度

退火温度对非晶态材料的性能影响至关重要。退火温度过低，不能有

效消除成核和晶体的形成，从而导致材料的非晶态程度下降，强度和

硬度降低。而退火温度过高，则可能引起材料的晶化，破坏非晶态结

构，进而大幅降低其力学性能。

对于不同的非晶态材料，其最佳退火温度范围有所不同。一般来说,

退火温度应选择在次玻璃化转变温度(Tg)BH山eTg之上10-30

K的范围内。在此温度范围内，材料的原子活动性增强，原子排列趋

于稳定，有利于消除内应力，改善非晶态程度，从而提高材料的强度

和硬度。

2.退火时间

退火时间也是影响非晶态材料性能的重要因素。退火时间过短，不能

充分消除材料中的内应力，导致材料性能不稳定。而退火时间过长，

则可能引起材料的晶化或相分离，降低其性能。

最佳退火时间取决于材料的厚度、成分和退火温度。一般来说，对于

较厚的材料，需要更长的退火时间才能充分消除内应力。而对于退火

温度较高的材料，则需要更短的退火时间，以避免晶化。

3.冷却速率

冷却速率影响非晶态材料的晶体化程度。冷却速率过快，材料中的原

子没有足够的时间重新排列形成晶体，从而维持非晶态结构。而冷却

速率过慢，则有利于晶体的形成，导致材料的非晶态程度降低。

对于非晶态材料，通常采用淬火或快速冷却的方式来抑制晶体的形成。

淬火速率越高，材料的非晶态程度越好，强度和硬度也越高。

4.热处理气氛

热处理气氛对非晶杰材料的性能也有影响。在氧化性气氛中进行热处

理，材料表面容易生成氧化层，影响材料的性能。而在还原性气氛或

真空气氛中进行热处理，可以有效防止氧化，保持材料的高强度和硬

度。

5.其他热处理参数

除了上述主要热处理条件外，其他热处理参数，如加热速率、保温时

间等，也会影响非晶态材料的性能。通过优化这些参数，可以进一步

提高材料的强度、硬度和塑性。

通过对热处理条件的优化，非晶态材料可以实现热处理强化，其强度、

硬度和塑性得到显著提升。这使得非晶态材料在航空航天、电子器件、

生物医学等领域获得了广泛应用。

第八部分非晶态材料强化与塑性的应用前景

关键词关键要点

非晶态材料在航空航天领域

的应用1.非晶态材料因其优异的轻质、高强度和耐热性，在抗空

航天器件中具有广泛的应用潜力。

2.非晶态合金可用于制造轻量化飞机部件，例如机身面板、

机翼和起落架，减轻飞机重量，提高燃油效率。

3.由于其耐高温性和抗腐蚀性，非晶态材料还可以应用于

发动机部件，例如涡轮叶片和燃烧室，提高发动机性能和使

用寿命。

非晶态材料在医疗器械领域

的应用1.非晶态材料的生物相容性和耐腐蚀性使其成为医疗器械

的理想选择，例如植入物、手术器械和牙科材料。

2.非晶态合金具有形状记忆效应，可用于制造自适应植入

物，随着患者身体的变化而自动调整形状，提高患者舒适度

和手术效果。

3.非晶态材料的磁性特性使其在磁共振成像（MRI）和靶

向药物输送等医疗应用中具有潜在价值。

非晶态材料在电子器件领域

的应用1.非晶态材料的低电阻知高导磁率使其成为电子变压器、

感应器和电容器等电子元件的promising材料。

2.非晶态薄膜可应用于半导体器件，例如薄膜晶体管和太

阳能电池，提高器件性能和降低成本。

3.非晶态材料的非线性光学特性使其在光纤通讯和光学器

件中具有应用前景，例如光开关和非线性转换器。

非晶态材料在催化领域的应

用1.非晶态材料的无序结沟提供了丰富的活性位点，使其成

为高效催化剂的promising材料。

2.非晶态催化剂具有高活性、高选择性和抗毒性，可用于

各种催化反应，例如氢气生产、燃料电池和环境污染物降

解。

3.非晶态催化剂的易于制备和低成本使其在工业应用中具

有广泛的潜力。

非晶态材料在能源存储领域

的应用1.非晶态材料的高能量密度和快速充放电能力使其成为超

级电容器和锂离子电池等新型能源存储器件的promising

候选材料。

2.非晶态电极材料具有稳定的循环性能、较宽的电压窗口

和优异的低温性能，可提升电池寿命和安仝性。

3.非晶态材料可通过组合不同的元素和调整结构来设计定