非平衡材料講訴

1、4. 非平衡材料,穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài),,,,,,,,,,,,4.1 非晶合金,4.1.1 基本概念晶體：原子、離子或分子按照一定的空間順序排列而成的固體。例如食鹽、明礬、金屬等。非晶：不具有晶體結(jié)構(gòu)的固體。,過冷液體：冷卻速度很快，不能實(shí)現(xiàn)從液相到固相的轉(zhuǎn)變時(shí)，在凝固點(diǎn)以下仍能夠保持液相結(jié)構(gòu)的物質(zhì)形態(tài)。原子的易動(dòng)度隨溫度的降低而下降，進(jìn)一步冷卻，得到固體狀態(tài)、液體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。,基本概念,臨界冷卻速度：為了得到非晶材料，在液體材料

2、冷卻過程中，不發(fā)生晶體化的最小冷卻速度。,一些物質(zhì)的臨界冷卻速度,非晶合金的種類,4.1.2 非晶合金的制備方法,液相凝固控制法： 薄帶、細(xì)絲、粉末氣相凝縮控制法： 薄膜、超細(xì)粉固相反應(yīng)控制法： 粉末（固相擴(kuò)散、氣體吸收）,最常用的是液相凝固控制法,單輥法：1975年； 20cm寬，70μm厚的薄帶紡絲法：1980年，數(shù)萬米長(zhǎng)的線,粉末冶金在非晶合金中的應(yīng)用,薄帶、細(xì)絲、粉末 → 顆粒分散強(qiáng)化材料、非晶合金固結(jié)爆炸、沖擊等晶

3、化溫度以下的燒結(jié)。焊接：超聲波、激光,4.1.3 材料性能,1）力學(xué)性能原子無秩序排列無易滑移面，性能各向同性非變形硬化，完全彈塑性體高強(qiáng)度、硬度，高韌性難加工材料可進(jìn)行50~90%的冷加工氣氛、溫度影響使用，氧化、脆化,塑性,長(zhǎng)期以來，探索同時(shí)具有高強(qiáng)度和大塑性的金屬合金材料一直是材料領(lǐng)域追求的目標(biāo)，但是由于變形機(jī)制的限制，在提高材料強(qiáng)度的時(shí)候往往伴隨著塑性的損失。這一趨勢(shì)隨著材料晶粒尺寸的減小變得愈加明顯。當(dāng)金屬合金達(dá)

4、到結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無序的非晶狀態(tài)時(shí)(在室溫下，非晶合金強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同成分的晶態(tài)金屬合金)，但是其塑性變形能力幾乎完全喪失。這導(dǎo)致非晶材料的脆性斷裂。因此，非晶合金的脆性嚴(yán)重制約了它們作為高強(qiáng)度工程材料的廣泛應(yīng)用。,研究人員利用常用的Zr、Cu、Ni和Al金屬元素, 根據(jù)自己提出的模量判據(jù)，通過快速凝固的現(xiàn)代冶金手段,合成出了在室溫條件下具有超高壓縮塑性的非晶合金。不同于以往的非晶合金，這種新開發(fā)的材料在室溫下的壓縮塑性變形能力非常強(qiáng)，可以像常見

5、的純Cu，純Al一樣彎曲或形變成一定的形狀。在具有超高塑性的同時(shí)，該材料還非晶合金高強(qiáng)度的特點(diǎn)。,2）耐腐蝕性能,非晶材料的化學(xué)活性高 → 形成金屬的鈍態(tài)膜 → 耐腐蝕性提高Fe-2%Cr 相當(dāng)于 18-8不銹鋼 （非晶） （晶體材料）N的鹽酸中，1年的腐蝕速度 （mm）非晶Fe72Cr8P13C7 為 小于 0.0000118-8不銹鋼 為~0.5鈍態(tài)膜的形成可防止氫脆，超耐腐蝕性Ti

6、、Nb,3）磁性,無磁各向異性，均質(zhì)的軟磁體低矯頑力高透磁率低磁損電阻高鐵損小強(qiáng)度高、彈性好,4） 其它,因瓦效應(yīng)：低熱膨脹，F(xiàn)e83B17，600K~極低溫超導(dǎo)：Mn、Nb、Zr系催化劑：CO與H2、NO與H2，比傳統(tǒng)催化劑具有更高的性能耐輻射：比晶體耐中子輻射，有望作為核爐壁材料吸氫：Ni-Zr，吸氫速度快,4.1.4 應(yīng)用與將來展望,非晶合金干式變壓器,非晶合金干式變壓器,具有如下三大突出優(yōu)點(diǎn) 一、性能好--

7、-損耗低（空載損耗較SC（B）10系列下降70％）、噪聲小、局放小 .二、成功地解決了受力不如傳統(tǒng)的變壓器好這一難題 三、節(jié)能環(huán)保,性價(jià)比高,結(jié)構(gòu)緊湊合理,外型和諧美觀,日本在非晶材料應(yīng)用方面作了大量工作,為了提高電力設(shè)備效率，減低送配電的損失，采用高壓送電網(wǎng)時(shí)，建議采用鐵損少的非晶變壓器，2002年開始首批采用非晶變壓器，日本已將非晶變壓器作為落實(shí)京都議定書防止氣候變暖、減少有害氣體排放的綠色環(huán)保產(chǎn)品，全面推廣使用。政府部門首先帶

8、頭使用，其次是制定綠色采購(gòu)法，國(guó)家機(jī)關(guān)動(dòng)員優(yōu)先購(gòu)買綠色產(chǎn)品，對(duì)非晶變壓器作為首選產(chǎn)品，同時(shí)，政府對(duì)使用非晶變壓器和制造非晶變壓器企業(yè)給予資金補(bǔ)助、優(yōu)惠融資、稅制優(yōu)惠等措施。,在我國(guó)推廣應(yīng)用非晶材料變壓器經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分巨大,全國(guó)配電變壓器約20億KVA，如果全部采用非晶變壓器，將減少空載損耗360萬KW，每年可節(jié)約電耗 321億度，折合人民幣193億元；可減少煤耗1220 萬噸，減少CO2氣體排放488 萬噸，減少SO2氣體排放 15

9、.86 萬噸，減少NO2氣體排放 7.32 萬噸。而非晶變壓器價(jià)格僅為同規(guī)格硅鋼變壓器的1.3倍以下，節(jié)約的電費(fèi)3年左右就可將增加的成本收回。另外，通過推廣非晶變壓器可促進(jìn)鋼鐵行業(yè)向高精尖技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，促進(jìn)國(guó)內(nèi)非晶材料的生產(chǎn)能力提高，加快鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。,非晶合金材料正應(yīng)用于電子工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域,隨著電子技術(shù)向高頻、小型化方向發(fā)展，非晶微晶軟磁合金材料已制成各種各樣磁性器件逐步應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，諸如鐵基非晶

10、合金已經(jīng)可以在工頻中大量使用，成本逐漸向硅鋼接近。納米晶合金在中高頻段性能遠(yuǎn)高于錳鋅鐵氧體，解決批量生產(chǎn)和成本問題之后，將成為中高頻電源變壓器的首選材料。納米晶合金在某些抗電磁干擾濾波器已經(jīng)代替鎳鋅鐵氧體，今后還會(huì)擴(kuò)大使用范圍。復(fù)合納米磁性材料在100mhz至10ghz將與鎳鋅鐵氧體爭(zhēng)奪使用領(lǐng)域。,我國(guó)非晶合金材料基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,我國(guó)自“六五”開始連續(xù)在四個(gè)五年計(jì)劃中投入大量資金，對(duì)非晶合金材料組織了重點(diǎn)科技攻關(guān)。經(jīng)過近20年的努力，已

11、取得了200項(xiàng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的成果，并形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利保護(hù)群。一條千噸級(jí)生產(chǎn)線成功地噴出了220mm寬帶材，標(biāo)志著我國(guó)在非晶材料研制和生產(chǎn)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平（當(dāng)時(shí)美國(guó)生產(chǎn)的帶材最大寬度為217mm）。隨后，千噸級(jí)帶材生產(chǎn)線又成功實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)卷取，從而使我國(guó)非晶材料生產(chǎn)能力繼美國(guó)之后躍居世界第二位。,4.2 偽合金（假合金）,4.2.1 基本概念合金：一種金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素融合而成的物質(zhì)熱力學(xué)相容性：A

12、+B → AB 時(shí)，Δ G<0偽合金：將熱力學(xué)不相容的組元以某種形式組成的具有合金性能的材料,4.2.2 偽合金的意義,1）充分利用材料的性能例如觸頭材料觸頭材料也稱觸點(diǎn)或接點(diǎn)，是高低壓電器中的關(guān)鍵元件，擔(dān)負(fù)著導(dǎo)通與分?jǐn)嚯娏鞯淖饔?，直接影響電器的可靠性與壽命,對(duì)觸頭材料的基本要求,物理性能：低電阻、高熱導(dǎo)、熔點(diǎn)、熔化熱、熱穩(wěn)定性好力學(xué)性能：室溫、高溫強(qiáng)度，硬度、塑性電接觸性能：耐電弧燒損、接觸電阻低化學(xué)性能：耐腐蝕性好

13、、不易氧化、不形成不導(dǎo)電的化合物加工性能：可焊接利用Ag與W各自的性能,2） 為材料設(shè)計(jì)開拓領(lǐng)域,單一材料無法滿足要求互不相容的體系充分利用各類材料的優(yōu)點(diǎn)成分自由度大,,合金（復(fù)合材料）的形成方式,鉬銅合金介紹,1、高電導(dǎo)高熱導(dǎo)特性。鉬是金屬中除金、銀、銅等金屬外，電導(dǎo)和熱導(dǎo)性比較好的元素。2、低的可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)。銅的熱膨脹系數(shù)較高，鉬的熱膨脹系數(shù)卻很低。3、特殊的高溫性能。鉬的熔點(diǎn)為2 610℃，而銅的

14、熔點(diǎn)僅為1 083 ℃ ，鉬銅合金在常溫和中溫時(shí)，既有較好的強(qiáng)度，又有一定的塑性，而當(dāng)溫度超過銅的熔點(diǎn)時(shí)，材料中的銅可以液化蒸發(fā)吸熱，起到冷卻作用（發(fā)汗冷卻）。4、無磁性。鉬和銅均為非鐵磁性金屬，因此所組成的鉬銅合金是一種優(yōu)良的無磁材料。5、低氣體含量和良好的真空性能。6、良好的機(jī)加工性。純鉬金屬本身由于較高的硬度和脆性，機(jī)加工比較困難。而鉬銅合金由于加入銅后材料硬度降低、塑性增加，故有利于機(jī)加工，可以加工成復(fù)雜形

15、狀的部件。,,W-Cu合金,航空航天,軍事武器,電子通訊,民 用,火箭尾噴管喉襯,燃?xì)舛?、鼻錐,3000度以上高溫，氣速1000m/s經(jīng)受固體顆粒沖刷,坦克破甲彈藥罩,增程炮的尾噴口,電磁炮軌道材料,熱散和熱沉材料,良好的氣密性良好的導(dǎo)熱性嚴(yán)格的熱膨脹系數(shù),電子封裝材料,真空觸頭材料,高溫模具材料,完全致密均勻的組織良好的導(dǎo)電性,,,,,,,,金屬發(fā)汗材料,metal sweating materials 一種特殊的散熱材

16、料，用于制造耐高溫的航天器器件和電器開關(guān)觸點(diǎn)。這種材料用高熔點(diǎn)金屬構(gòu)成多孔的基體，孔隙中滲入低熔點(diǎn)金屬；在高溫下工作時(shí)，低熔點(diǎn)金屬蒸發(fā)吸熱，借以冷卻材料的表面。這是依據(jù)人體蒸發(fā)汗液吸熱降低體溫的原理設(shè)計(jì)成的，因而得名。,金屬發(fā)汗材料,金屬發(fā)汗材料出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，最先獲得應(yīng)用的是用粉末冶金工藝制成的鎢銀“假合金”(pseudoal-loy)和鎢銅“假合金”；兩種金屬各以獨(dú)立、均勻的相存在，不形成合金相，所以被稱為假合金。它們是以鎢

17、為基體，含有約20～50％的銀或銅，用作高電壓、大功率的電器開關(guān)的觸點(diǎn)。在假合金中，存在于鎢基毛細(xì)孔中的銀或銅在高壓電弧所產(chǎn)生的高溫下液化蒸發(fā)，吸收了大量的電弧的能量，降低了電弧區(qū)溫度，因而這種假合金的燒損量不僅大大低于低熔點(diǎn)金屬銀、銅觸點(diǎn)的燒損量，而且低于熔點(diǎn)最高的金屬(鎢)的燒損量。當(dāng)時(shí)未用“金屬發(fā)汗材料”的名稱，而稱為“假合金”。50年代末，固體燃料火箭的發(fā)展，理論燃?xì)鉁囟群蛪簭?qiáng)分別達(dá)到3593℃和0.703kgf/mm2，原來用

18、的純鎢的噴管已不能滿足這樣的使用條件，當(dāng)時(shí)的其他材料也無法滿足要求。60年代初, 根據(jù)“發(fā)汗冷卻”的概念重新研究了鎢銀“假合金”，詳細(xì)研究了制取工藝對(duì)材料性能的影響，以及發(fā)汗冷卻、抗熱震等機(jī)理。60年代中期，美國(guó)研制出鎢銀發(fā)汗材料（W-10Ag）火箭噴管，裝備于“北極星”潛艇的導(dǎo)彈中。其他一些火箭有用鎢銅噴管的。某些在溫度稍低的條件下使用的部件，也采用了鉬銅和鉬銀發(fā)汗材料。,,,本研究所制備的合金具有組織均勻、晶粒細(xì)小、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

19、,,W-Cu合金性能,Papers,Chengchang Jia, et al, Microstructure and Properties of W-Cu Alloys Prepared with Mechanically Activated Powder, Journal of University of Science and Technology Beijing, 2001, 8(2), 129-132（IDS Number:4

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27、合金熱膨脹系數(shù)的影響，稀有金屬材料科學(xué)與工程，2002，增刊2：85~88賈成廠，何忠，趙軍，解子章，燒結(jié)Mo-Cu合金的熱膨脹行為，復(fù)合材料（生命、環(huán)境與高技術(shù)），天津大學(xué)出版社，2002：391~394賈成廠等，機(jī)械活化W-Cu粉末的加壓燒結(jié)，2001年全國(guó)粉末冶金學(xué)術(shù)會(huì)議，2001，5，武漢，p51解子章，賈成廠，燒結(jié)Mo-Cu合金的組織特征，2001年全國(guó)粉末冶金學(xué)術(shù)會(huì)議，2001，5，武漢，p81,人有了知識(shí)，就會(huì)具備各