非晶合金機械性能預測及定向設計

摘要：非晶合金因為內部結構的變化造成原子結構的重新組合。其中熱穩定性對于其機械性能具有重要影響。本文從非晶合金的機械性能原理、研究以及預測等幾個方面進行研究。

關鍵詞：非晶合金；機械性能；預測；定向設計

非晶合金由于性能優異，工藝簡單，因而在材料界得到廣泛應用，也成為材料學研究的重點，本文主要對非晶合金的機械性能進行分析研究，以便為同行的研究提供有益借鑒。

1.非晶合金機械性能原理分析

根據從微觀結構的相關理論，不管是非晶合金變化還是晶化反應都必然要發生原子團簇和非晶原子的遷移。在溫度適宜的情況下，晶態合金的內能會低于非晶態合金的內能，與此同時原子結構也會失去穩定，處于無序的混亂狀態。如果這時候溫度有所升高，那么還會造成原子結構失去穩定性，那些和結構相關的性能也會發生較大變化。熱穩定性在某種程度上反映了非晶合金在上述過程中保持其原有無序結構的能力。與此同時不可忽視的是，非晶合金在機械變形時剪切帶的形成以及交割等一系列過程也和合金原子結構以及組元間的作用有著直接的關系。由此可見，在對固態非晶合金的微觀結構變化進行充分分析的基礎上，能夠全面分析影響非晶合金熱穩定程度以及其機械性能的因素，確定二者和非晶結構組成以及合金組元互相作用間的關系，能夠有效判斷非晶合金的熱穩定程度，對其機械性能進行客觀預測。

非晶合金在超急冷的狀態下發生凝固，此時原子無法有序地排列結晶，結果形成長程無需結構的固態合金。從特點上看，這類非晶合金有著較為明顯的特點，它的制作工藝相對簡單且性能較好。也正是因為如此，自上世紀80年代以來，它已經引發了國內外大批學者的關注，成為材料科學界研發的重點內容。其主要優點在于：微觀結構上沒有晶界與堆垛層錯等缺陷，原子的三維空間以拓撲無序的形式排列。然而值得注意的是，其原子的排列方式并不是完全無序的，在某些情況下能夠發現其中存在的一些排列規律。另外，不管是非晶合金的結構還是其化學成分的分布情況都是無序的。

2.非晶合金的機械性能研究

非晶合金和晶體材料的形變與斷裂機制的差別主要體現在機械性能的差別上。前者的變形多與局部剪切帶的不均勻擴展有這直接的關系。通過對斷面的金相顯微組織進行細致地觀察，我們發現，在高應變速率的情況下，局部熔化會在不穩定斷裂的期間發生。非晶破壞的主要機制是剪切帶滑移與交割。在運動的過程中，較大尺寸原子很容易對剪切帶產生影響：第一，剪切帶的遷移過程受到了較大尺寸原子或原子團簇的阻礙；第二，剪切面在滑移摩擦的過程中產生了許多能量，結果造成滑移面在區域內發生了升溫的現象并由此形成了粘性流動層，促進了遷移過程的發生。在第一種情況下，如果引入納米增強劑就能夠減少其滑移面遷移的影響，促進非晶合金拉伸斷裂強度的提高，使合金更加富有延展性。

3.控制非晶熱穩定程度的結構因素

對于非晶合金來說，其無序排列的原子很容易受到周圍原子的影響。據此，原子也就無法重新排列形成長而有序的晶化相結構。而電負性、電子濃度和原子尺寸的不同能夠控制此過程進行。電負性、電子濃度和原子尺寸構成的形成焓會受到不同合金組成方式的影響，二者也會對非晶合金熱穩定程度產生一定的影響。所以，大塊非晶原子組成方式的不同導致了其熱穩定程度和形成焓間線性關系的差異。Toshiharo在研究中子衍射（Ti76Ni24）x（TboCu30）l-x的過程中發現，組元間強烈的互相能夠使非晶結構中短程有序的數量得到增加，并且對非晶合金的熱穩定程度產生較大的影響。值得注意的是，這種線性關系只存在于局域原子結構受單一因素的變化影響。究其原因就會發現，這主要是因為如果在大量因素同時變化的情況下，決定結構穩定程度的因素也會隨之增加。

在初始晶化相結構和局域結構相同的情況下，形成的焓越負化學親和力越大，團簇發展且形核核心數量增加的可能性就越大。在這種情況下，合金的熱穩定程度就會降低。相反，如果兩者的結構不相同，形成的焓越負的互相作用越大，形成不同于初始晶化相的局域結構的概率就越大。這樣也就無法發展成晶化相，材料結構的穩定性也就越高。

4.大塊非晶合金機械性能預測

在沒有受到外應力作用的情況下，物體的原子處于平衡狀態，其引力和斥力達到了平衡狀態。在這種情況下，原子的位能處于最低水平。相反，在受到外應力作用的情況下，外應力能夠有效地克服引力和斥力的作用，促使原子進行位移，產生應變。然而，如果外應力不足以抵消引力和斥力的相互作用，那么一旦應力消失，那么原子之間又會發生互相作用，引力和斥力則會恢復到平衡狀態。通過以上可以看出，機械性能的物理本質是標志是原子結構在變形過程中受到的阻力大小。機械性能會隨著阻力的變大而提高。在對非晶合金的熱穩定程度進行分析的過程中我們可以得出這樣的結論，非晶形成焓對非晶合金結構中原子的遷移過程能夠產生了較大影響。換句話說，對物質機械性能產生影響的主要因素就是焓。

非晶合金的出現，被譽為冶金材料的一次革命，在機械性能方面具有耐磨性、高的強度、硬度和韌性等優點，因而在不少機械設備制造中廣泛應用。其機械性能的優越性，代替了一些金屬原材料的應用，推動了現代工業的發展。

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作者簡介：姜帆，邵陽學院機械與能源工程系，郵編：422000；1994年8月，男，漢，本科。研究方向：機械設計制造及其自動化。