非晶合金机械性能预测及定向设计

摘要：非晶合金因为内部结构的变化造成原子结构的重新组合。其中热稳定性对于其机械性能具有重要影响。本文从非晶合金的机械性能原理、研究以及预测等几个方面进行研究。

关键词：非晶合金；机械性能；预测；定向设计

非晶合金由于性能优异，工艺简单，因而在材料界得到广泛应用，也成为材料学研究的重点，本文主要对非晶合金的机械性能进行分析研究，以便为同行的研究提供有益借鉴。

1.非晶合金机械性能原理分析

根据从微观结构的相关理论，不管是非晶合金变化还是晶化反应都必然要发生原子团簇和非晶原子的迁移。在温度适宜的情况下，晶态合金的内能会低于非晶态合金的内能，与此同时原子结构也会失去稳定，处于无序的混乱状态。如果这时候温度有所升高，那么还会造成原子结构失去稳定性，那些和结构相关的性能也会发生较大变化。热稳定性在某种程度上反映了非晶合金在上述过程中保持其原有无序结构的能力。与此同时不可忽视的是，非晶合金在机械变形时剪切带的形成以及交割等一系列过程也和合金原子结构以及组元间的作用有着直接的关系。由此可见，在对固态非晶合金的微观结构变化进行充分分析的基础上，能够全面分析影响非晶合金热稳定程度以及其机械性能的因素，确定二者和非晶结构组成以及合金组元互相作用间的关系，能够有效判断非晶合金的热稳定程度，对其机械性能进行客观预测。

非晶合金在超急冷的状态下发生凝固，此时原子无法有序地排列结晶，结果形成长程无需结构的固态合金。从特点上看，这类非晶合金有着较为明显的特点，它的制作工艺相对简单且性能较好。也正是因为如此，自上世纪80年代以来，它已经引发了国内外大批学者的关注，成为材料科学界研发的重点内容。其主要优点在于：微观结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷，原子的三维空间以拓扑无序的形式排列。然而值得注意的是，其原子的排列方式并不是完全无序的，在某些情况下能够发现其中存在的一些排列规律。另外，不管是非晶合金的结构还是其化学成分的分布情况都是无序的。

2.非晶合金的机械性能研究

非晶合金和晶体材料的形变与断裂机制的差别主要体现在机械性能的差别上。前者的变形多与局部剪切带的不均匀扩展有这直接的关系。通过对断面的金相显微组织进行细致地观察，我们发现，在高应变速率的情况下，局部熔化会在不稳定断裂的期间发生。非晶破坏的主要机制是剪切带滑移与交割。在运动的过程中，较大尺寸原子很容易对剪切带产生影响：第一，剪切带的迁移过程受到了较大尺寸原子或原子团簇的阻碍；第二，剪切面在滑移摩擦的过程中产生了许多能量，结果造成滑移面在区域内发生了升温的现象并由此形成了粘性流动层，促进了迁移过程的发生。在第一种情况下，如果引入纳米增强剂就能够减少其滑移面迁移的影响，促进非晶合金拉伸断裂强度的提高，使合金更加富有延展性。

3.控制非晶热稳定程度的结构因素

对于非晶合金来说，其无序排列的原子很容易受到周围原子的影响。据此，原子也就无法重新排列形成长而有序的晶化相结构。而电负性、电子浓度和原子尺寸的不同能够控制此过程进行。电负性、电子浓度和原子尺寸构成的形成焓会受到不同合金组成方式的影响，二者也会对非晶合金热稳定程度产生一定的影响。所以，大块非晶原子组成方式的不同导致了其热稳定程度和形成焓间线性关系的差异。Toshiharo在研究中子衍射（Ti76Ni24）x（TboCu30）l-x的过程中发现，组元间强烈的互相能够使非晶结构中短程有序的数量得到增加，并且对非晶合金的热稳定程度产生较大的影响。值得注意的是，这种线性关系只存在于局域原子结构受单一因素的变化影响。究其原因就会发现，这主要是因为如果在大量因素同时变化的情况下，决定结构稳定程度的因素也会随之增加。

在初始晶化相结构和局域结构相同的情况下，形成的焓越负化学亲和力越大，团簇发展且形核核心数量增加的可能性就越大。在这种情况下，合金的热稳定程度就会降低。相反，如果两者的结构不相同，形成的焓越负的互相作用越大，形成不同于初始晶化相的局域结构的概率就越大。这样也就无法发展成晶化相，材料结构的稳定性也就越高。

4.大块非晶合金机械性能预测

在没有受到外应力作用的情况下，物体的原子处于平衡状态，其引力和斥力达到了平衡状态。在这种情况下，原子的位能处于最低水平。相反，在受到外应力作用的情况下，外应力能够有效地克服引力和斥力的作用，促使原子进行位移，产生应变。然而，如果外应力不足以抵消引力和斥力的相互作用，那么一旦应力消失，那么原子之间又会发生互相作用，引力和斥力则会恢复到平衡状态。通过以上可以看出，机械性能的物理本质是标志是原子结构在变形过程中受到的阻力大小。机械性能会随着阻力的变大而提高。在对非晶合金的热稳定程度进行分析的过程中我们可以得出这样的结论，非晶形成焓对非晶合金结构中原子的迁移过程能够产生了较大影响。换句话说，对物质机械性能产生影响的主要因素就是焓。

非晶合金的出现，被誉为冶金材料的一次革命，在机械性能方面具有耐磨性、高的强度、硬度和韧性等优点，因而在不少机械设备制造中广泛应用。其机械性能的优越性，代替了一些金属原材料的应用，推动了现代工业的发展。

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作者简介：姜帆，邵阳学院机械与能源工程系，邮编：422000；1994年8月，男，汉，本科。研究方向：机械设计制造及其自动化。