晶体缺陷和强度理论

非晶合金的强度研究及进展

非晶合金，又称金属玻璃，由于具有优异的物理、化学、光学、磁学和力学性能，受到人们的普遍关注，成为材料领域的研究热点之一。大量的研究与开发工作表明，非晶合金材料在许多实用性能方面具有十分明显的优势，具有良好的应用前景。非晶合金研究的进展，不仅突破了长期以来金属合金只能以结晶态形式凝固这一传统认识，丰富了合金液固相变理论，而且在合金的非晶形成能力、非晶合金的相结构及其相演化过程、非晶合金的性能等方面的研究都取得了大量成果。

1非晶合金的发展历史

自从1960 年首次用熔体快速凝固方法制备出Au-Cu 非晶合金以来，在随后的30 年里，大量的非晶合金已经被制备出来。众所周知，在1990年以前可以用105K/s 的冷却速率制备出Fe 基、Co 基和Ni 基非晶合金，但这些合金的厚度都小于50 µm，其中，作为特例的贵金属基Pd-Ni-P 和Pt-Ni-P 合金系，其临界冷却速度也在103 K/s 的数量级。在1974 年Chen对Pb-T-P(T=Ni, Co, Fe)合金进行了系统的研究并制备出了厚度为 1 mm 的非晶合金。在1982 年，可以制备出临界尺寸较大的Au55 Pd22.5 Sb22.5非晶合金。虽然在大块非晶合金的研究中取得了突出的进展，但是这些合金的成本昂贵，在长达十几年的时间内，利用非贵金属制备大块非晶合金的愿望始终未能实现，使非晶合金的应用范围受到很大限制。

上世纪八十年代后期，日本学者 A. Inoue(井上明久)领导的课题组首先在非贵金属系大块非晶合金制备方面取得了突破，并受到同行的关注。自从1988 年以来，发现可以用更低的临界冷却速率制备出新的多组元合金体系，包括Mg 基、Zr基、Fe 基、Pd基[、La 基、Ti基和Ni 基合金体系。由于发现了具有很强的非晶形成能力的合金体系，使得在临界冷却速度低于102 K/s 的条件下，用一般的工艺方法(铜模铸造方法等)即可获得三维尺寸在毫米以上量级的大块非晶合金。

目前人们所研究的大块非晶合金体系中，Pd系、La 系和Zr系多组元合金具有优秀的非晶形成能力，其中美国Johnson 课题组开发的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 和日本

Inoue 课题组开发Pd-Ni-Cu-P 合金的非晶形成能力最好。但Pd系合金价格昂贵，La 系合金性能较差，这两类非晶合金难以被广泛应用。Zr系大块非晶合金具有良好的性能和应用前景。镍基大块非晶合金在力学性能和抗腐蚀性能等方面有突出的表现，缺点是其非晶形成能力不够优秀，目前还难以制备成大尺寸的大块非晶合金样品。近年来Cu基合金又成为大块非晶合金研究的另一个热点。此外二元大块非晶合金的制备方面也取得了进展。

2非晶态材料具有三个基本特征

①只存在小区间内的短程序，而没有任何长程序；波矢 k不再是一个描述运动状态的好量子数。

②它的电子衍射、中子衍射和 X射线衍射图是由较宽的晕和弥散的环组成；用电子显微镜看不到任何由晶粒间界、晶体缺陷等形成的衍衬反差。

③任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。当连续升温时，在某个很窄的温区内，会发生明显的结构变化，从非晶态转变为晶态，这个晶化过程主要取决于材料的原子扩散系数、界面能和熔解熵。

3非晶合金的性能

作为一种新开发出来的先进材料，非晶合金具有优异的力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能和特殊的磁学性能等，因此，有极好的应用前景。在力学性能方面，合金的力学性能指标中最重要的是强度和塑性。新型非晶合金的抗张强度要大于同类晶态合金，如Mg 基非晶合金室温下的抗张强度大大超过抗张强度最大的晶态Mg 基合金。Zr基大块非晶合金的显微硬度为 6 GPa，强度可达 3 GPa，弹性变形能力可达 2 %，其强度已接近工程陶瓷材料。大块非晶合金中不存在晶体中的滑移，在高温下具有很大的粘滞流动性，可在所谓的过冷液相区进行超塑性变形，这是一般超塑性晶态合金所无法实现的。

非晶合金是亚稳液态结构的固态金属，在电导方面表现为金属性，但有很高的电阻值，而且电阻与温度的关系与普通合金不同。Fe-TM-B(TM 为过渡族金属)大块非晶不但具有高强度、抗腐蚀性，还有优良的软磁性能。通过碳掺杂及晶化的方法，可由大块非晶合金得到大块纳米晶材料，这些纳米晶材料表现了出优良的力学性质、硬软磁性能及高的催化性能。

另外，大块非晶还具有耐磨、抗疲劳、抗腐蚀等优良的性能。最近，制备出

的Ti 基、Mg 基大块非晶合金具有轻型、抗辐照、高强度的优点，在航天领域有很好的应用前景。

从以上大块非晶合金的性能不难看出这种新材料的工业潜力及应用前景。Johnson 教授将Zr基大块非晶合金应用到了高尔夫球运动器材中，并使之产业化。此外，大块非晶合金作为穿甲弹芯材料的研究已经引起了各国的关注，有望成为新一代穿甲弹芯材料。

晶体的主要特征是其中原子（或分子）的规则排列，但实际晶体中的原子排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。按缺陷在空间的几何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。

点缺陷

1、点缺陷定义

由于晶体中出现填隙原子和杂质原子等等，它们引起晶格周期性的破坏发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。这些空位和填隙原子是由热起伏原因所产生的，因此又称为热缺陷。

2、空位、填隙原子和杂质

空位：晶体内部的空格点就是空位。由于晶体中原子热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点跑到表面上，在内部留下了空格点，即空位。

填隙原子：由于晶体中原子的热运动，某些原子振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置，形成了填隙原子。即位于理想晶体中间隙中的原子。杂质原子：杂质原子是理想晶体中出现的异类原子。

3、几种点缺陷的类型

弗仑克尔缺陷：原子（或离子）在格点平衡位置附近振动，由于非线性的影