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，不能實現(xiàn)從液相到固相的轉(zhuǎn)變時，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,長期以來，探索同時具有高強(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)度的時候往往伴隨著塑性的損失。這一趨勢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)長程無序的非晶狀態(tài)時(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，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，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法，國家機(jī)關(guān)動員優(yōu)先購買綠色產(chǎn)品，對非晶變壓器作為首選產(chǎn)品，同時，政府對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。,在我國推廣應(yīng)用非晶材料變壓器經(jīng)濟(jì)和社會效益十分巨大,全國配電變壓器約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將與鎳鋅鐵氧體爭奪使用領(lǐng)域。,我國非晶合金材料基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,我國自“六五”開始連續(xù)在四個五年計劃中投入大量資金，對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項達(dá)到國際先進(jìn)水平的成果，并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利保護(hù)群。一條千噸級生產(chǎn)線成功地噴出了220mm寬帶材，標(biāo)志著我國在非晶材料研制和生產(chǎn)上達(dá)到國際先進(jìn)水平（當(dāng)時美國生產(chǎn)的帶材最大寬度為217mm）。隨后，千噸級帶材生產(chǎn)線又成功實現(xiàn)在線自動卷取，從而使我國非晶材料生產(chǎn)能力繼美國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，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，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，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，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

20、46AX, ISSN:1005-8850）3Chengchang Jia, et al, Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（IDS Number:458MJ, ISSN:1001-0521）Chengchang Jia, et al, Effect

21、of Cobalt on the Sintering Behavior of Mechanically Activated Tungsten Powder, Rare Metals, 2001, 20(3), 183-186（IDS Number:491RC, ISSN:1001-0521）JIA Chengchang, LI Zhigang, HE Yuntao, and QU Xuanhui, Spark plasma sinte

22、ring on mechanically activated W-Cu powders, Rare Metals 2004; 23; 269~273（IDS Number:858MH, ISSN:1001-0521）Chengchang Jia, et al, Sintering Kinetics of Mechanically Activated Mo-Cu Powder, Science of Sintering, 1999, V

23、ol.31, No.3, p169-174Chengchang Jia, et al, Mechanical Alloying and W-Cu, Mo-Cu Alloys, 13th International Conference on Composite Materials, Beijing, China, June, 2001, Scientific and Technical Document Publishing Hous

24、e, p489 (ISTP 收錄)Chengchang Jia, Zhigang Li, Yuntao He, Yanlei Ping, Zizhang Xie, Microstructure and Characteristics of Mechanically Activated W-Cu Powder, China Particuology, 2003, 1(4): 172~175Chengchang Jia, et al,

25、 Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder, Rare Metals, 2001, 20(2), 112-116（EI檢索）賈成廠等，用機(jī)械活化與化學(xué)活化粉末制備W-Cu合金，粉末冶金技術(shù)，2001，19（3），p148-152 （EI檢索）楊自勤、賈成廠等，機(jī)械活化粉末制備W-Cu合金的微觀組織，北京科技大學(xué)學(xué)報，2002，

26、24（2），115-118（EI檢索）赫運(yùn)濤，賈成廠，樊世民等，機(jī)械活化W-Cu粉末的壓力燒結(jié)，粉末冶金技術(shù)，2004，22（1），33-36（EI檢索）賈成廠等， 用機(jī)械活化粉末制備鎢合金，清化大學(xué)學(xué)報， 1999, Vol.39, No.6, 35-38（EI檢索）賈成廠等，機(jī)械活化對Mo-Cu粉末燒結(jié)行為的影響，粉末冶金技術(shù)，2000，18（3），163-166（EI檢索）賈成廠，解子章，微觀組織及應(yīng)力狀態(tài)對燒結(jié)Mo-Cu

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年全國粉末冶金學(xué)術(shù)會議，2001，5，武漢，p51解子章，賈成廠，燒結(jié)Mo-Cu合金的組織特征，2001年全國粉末冶金學(xué)術(shù)會議，2001，5，武漢，p81,人有了知識，就會具備各