非晶合金的强化机制及其应用

非晶合金的强化机制及其应用

Strengthening Mechanism of Non-crystal Alloy and its

Application

(兰州理工大学,甘肃 兰州 730000)

摘要: 非晶态合金中，原子不呈长程规则排列，是一种完全各向同性的材料。非晶态合金没有界面，原子呈集团地移动，其变形须施加更大的外力。非晶态合金的晶粒直径一般都在纳米级，内部往往会有的第二相，有大量的固溶原子。非晶态合金独特的不同寻常的性能使得这类材料可以被用于体育用品、高性能结构材料、生物医学材料、空间探测材料等各种领域。

关键词: 非晶态合金；强化机制；非晶态合金应用

Abstract: Amorphous alloy with atoms not regularly arranged longly is a completely isotropic material. Amorphous alloy does not have interface, making atoms as group to move. Its deformation requires exert more force.Grain diameter of the amorphous alloy within which there is often a second phase, a large number of solute atoms is generally at the nanoscale. Amorphous alloy can be used in the fields of sporting goods, high-performance structural materials, biomedical materials, space exploration and so on.

Key words: Amorphous alloy ；Strengthening mechanism ；Amorphous alloy application

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引言

金属的强度主要是指抵抗塑性变形的能力而塑性变形产生的主要机制是位错在滑移面上的移动。所以，根据目前工业生产中已经采用的金属材辩的强化手段以及国内外材料发展的新动向，可以得出这样的认识塑性材料的强化可以分为两种途径。一是尽量消除位错等晶体缺陷，获得尽量完美的单晶材料。提高金属强度的另一个途径是有意识的增加位错密度ρ及其移动阻力（如下图1.1）。

前面指出了金属材料强化的两个

途径，即从退火状态出发向减少σ和

增加ρ两个方向发展，多年来国内外在这方面取得了很大进展，那么向增加ρ的方向继续向前发展，会出现什么情况呢?我们得出的结论是：应向无序结构一非晶态合金构研究和应用方

面努力[1-4]

。

图1.1 σ随ρ变化的关系图

2 非晶态合金强化机制 非晶态合金中，原子不呈长程规

图2.1 晶体与非晶体二维结构排列模型

则排列，它是与理想状态正相反的无序状态，称为致密无序堆积结构。如果用二维模型来描述的话，则如图2.1所示的结构。

与晶态结构比较可以看出，非晶态结构的间隙多，从小范围内看是不均质的，但从大范围看则是更均质的[4-7]，而且没有偏析、晶界、位错等缺陷，是一种完全各向同性的材料。目前已知的非晶态合金大致可分为金属一半金属系和金属一金属系。元素周期表中大部分金属元素都可通过台金化使其非晶化。特别是含15~30％(原子百分数)的半金属硼、碳、磷、硅、锗等合金(大部分接近共晶成分)，及原子半径大的金属元素彼此间组成的合金[7-8]。

非晶态合金一般都具有很高的硬度和强度。非晶态合金的高强度主要取决于它的结构，如图2.1所示，在晶态合金上施加剪应力，则会像图 2.1a 那样，以位错为媒介在特定的晶面上产生滑移，滑移面上下的原子按箭头所示的方向发生位移。但非晶态合金没有界面，所以原子只能呈集团地移动，如图 2.1b，若使其变形，必须施加更大的外力，即屈服强度提高。例如，铁系非晶态合金Fe80B20屈服强度为3500MN／m2，远远超过常用的超高强度的马氏体时效钢(2000 MN／m2)，硬度H V达到1100。

晶界是位错运动的最大障碍之一。由于晶界两侧原子取向不同，因而其中一个晶粒滑移不能直接进入第二个晶粒，就便位错在晶界附近集中，激发相邻晶粒中的位错源启动，使滑移传播到相邻晶粒中去，晶界对位错的这种阻碍作用，随晶粒的细化而强化。实验证明，在许多金属中多晶体的屈服强度与晶粒的大小的关系是：

2

1

-

+

=Bd

A

s

σ

其中A、B是常数，d是晶粒直径。非晶态合金的晶粒直径一般都在纳米级，这就造成了非晶态合金的强度一般很高[8-10]。

合金一般都由两个以上的相组成，即合金的组织除了基体以外还常常存在第二相。合金的性能不仅决定于基体的性能，也取决第二相的性质、大小、形状和分布。合金的这种强化的主要原因是高分散度的质点成为障碍物，阻碍滑移过程的位错运动，从而增加了塑性变形的抗力。第二相质点愈细、愈多，则位错线愈不易弯曲，从而需克服位错线张力所引起的相对阻抗愈大，强化效果愈好(如图2.2，a)。反之，若质点聚集、粗化(过失效)，则金属的强度便降低。因为在这种情况下，位错线容易弯曲地通过这些质点而前进(图2.2，b)，这正象位错源一样，在质点周围留下位错环以后，可以继续前进。非晶态合金内部往往会有的第二相，从而导致非晶具有大的强度[10-13]。

图2.2 弥散强化示意图

固溶强化乃是指溶质原子溶入溶剂的晶格中而带来的强化效应。产生固溶强化效应的原因是多方面的，其主要原因，一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，从而产生附加

的应力场，阻碍位错的运动；二是溶