摘要：非晶合金因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的變化造成原子結(jié)構(gòu)的重新組合。其中熱穩(wěn)定性對(duì)于其機(jī)械性能具有重要影響。本文從非晶合金的機(jī)械性能原理、研究以及預(yù)測(cè)等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：非晶合金；機(jī)械性能；預(yù)測(cè)；定向設(shè)計(jì)

非晶合金由于性能優(yōu)異，工藝簡(jiǎn)單，因而在材料界得到廣泛應(yīng)用，也成為材料學(xué)研究的重點(diǎn)，本文主要對(duì)非晶合金的機(jī)械性能進(jìn)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(jī)械性能原理分析

根據(jù)從微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)理論，不管是非晶合金變化還是晶化反應(yīng)都必然要發(fā)生原子團(tuán)簇和非晶原子的遷移。在溫度適宜的情況下，晶態(tài)合金的內(nèi)能會(huì)低于非晶態(tài)合金的內(nèi)能，與此同時(shí)原子結(jié)構(gòu)也會(huì)失去穩(wěn)定，處于無(wú)序的混亂狀態(tài)。如果這時(shí)候溫度有所升高，那么還會(huì)造成原子結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，那些和結(jié)構(gòu)相關(guān)的性能也會(huì)發(fā)生較大變化。熱穩(wěn)定性在某種程度上反映了非晶合金在上述過(guò)程中保持其原有無(wú)序結(jié)構(gòu)的能力。與此同時(shí)不可忽視的是，非晶合金在機(jī)械變形時(shí)剪切帶的形成以及交割等一系列過(guò)程也和合金原子結(jié)構(gòu)以及組元間的作用有著直接的關(guān)系。由此可見(jiàn)，在對(duì)固態(tài)非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，能夠全面分析影響非晶合金熱穩(wěn)定程度以及其機(jī)械性能的因素，確定二者和非晶結(jié)構(gòu)組成以及合金組元互相作用間的關(guān)系，能夠有效判斷非晶合金的熱穩(wěn)定程度，對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行客觀預(yù)測(cè)。

非晶合金在超急冷的狀態(tài)下發(fā)生凝固，此時(shí)原子無(wú)法有序地排列結(jié)晶，結(jié)果形成長(zhǎng)程無(wú)需結(jié)構(gòu)的固態(tài)合金。從特點(diǎn)上看，這類(lèi)非晶合金有著較為明顯的特點(diǎn)，它的制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且性能較好。也正是因?yàn)槿绱?，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，它已經(jīng)引發(fā)了國(guó)內(nèi)外大批學(xué)者的關(guān)注，成為材料科學(xué)界研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。其主要優(yōu)點(diǎn)在于：微觀結(jié)構(gòu)上沒(méi)有晶界與堆垛層錯(cuò)等缺陷，原子的三維空間以拓?fù)錈o(wú)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(wú)序的，在某些情況下能夠發(fā)現(xiàn)其中存在的一些排列規(guī)律。另外，不管是非晶合金的結(jié)構(gòu)還是其化學(xué)成分的分布情況都是無(wú)序的。

2.非晶合金的機(jī)械性能研究

非晶合金和晶體材料的形變與斷裂機(jī)制的差別主要體現(xiàn)在機(jī)械性能的差別上。前者的變形多與局部剪切帶的不均勻擴(kuò)展有這直接的關(guān)系。通過(guò)對(duì)斷面的金相顯微組織進(jìn)行細(xì)致地觀察，我們發(fā)現(xiàn)，在高應(yīng)變速率的情況下，局部熔化會(huì)在不穩(wěn)定斷裂的期間發(fā)生。非晶破壞的主要機(jī)制是剪切帶滑移與交割。在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，較大尺寸原子很容易對(duì)剪切帶產(chǎn)生影響：第一，剪切帶的遷移過(guò)程受到了較大尺寸原子或原子團(tuán)簇的阻礙；第二，剪切面在滑移摩擦的過(guò)程中產(chǎn)生了許多能量，結(jié)果造成滑移面在區(qū)域內(nèi)發(fā)生了升溫的現(xiàn)象并由此形成了粘性流動(dòng)層，促進(jìn)了遷移過(guò)程的發(fā)生。在第一種情況下，如果引入納米增強(qiáng)劑就能夠減少其滑移面遷移的影響，促進(jìn)非晶合金拉伸斷裂強(qiáng)度的提高，使合金更加富有延展性。

3.控制非晶熱穩(wěn)定程度的結(jié)構(gòu)因素

對(duì)于非晶合金來(lái)說(shuō)，其無(wú)序排列的原子很容易受到周?chē)拥挠绊?。?jù)此，原子也就無(wú)法重新排列形成長(zhǎng)而有序的晶化相結(jié)構(gòu)。而電負(fù)性、電子濃度和原子尺寸的不同能夠控制此過(guò)程進(jìn)行。電負(fù)性、電子濃度和原子尺寸構(gòu)成的形成焓會(huì)受到不同合金組成方式的影響，二者也會(huì)對(duì)非晶合金熱穩(wěn)定程度產(chǎn)生一定的影響。所以，大塊非晶原子組成方式的不同導(dǎo)致了其熱穩(wěn)定程度和形成焓間線性關(guān)系的差異。Toshiharo在研究中子衍射（Ti76Ni24）x（TboCu30）l-x的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，組元間強(qiáng)烈的互相能夠使非晶結(jié)構(gòu)中短程有序的數(shù)量得到增加，并且對(duì)非晶合金的熱穩(wěn)定程度產(chǎn)生較大的影響。值得注意的是，這種線性關(guān)系只存在于局域原子結(jié)構(gòu)受單一因素的變化影響。究其原因就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這主要是因?yàn)槿绻诖罅恳蛩赝瑫r(shí)變化的情況下，決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度的因素也會(huì)隨之增加。

在初始晶化相結(jié)構(gòu)和局域結(jié)構(gòu)相同的情況下，形成的焓越負(fù)化學(xué)親和力越大，團(tuán)簇發(fā)展且形核核心數(shù)量增加的可能性就越大。在這種情況下，合金的熱穩(wěn)定程度就會(huì)降低。相反，如果兩者的結(jié)構(gòu)不相同，形成的焓越負(fù)的互相作用越大，形成不同于初始晶化相的局域結(jié)構(gòu)的概率就越大。這樣也就無(wú)法發(fā)展成晶化相，材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也就越高。

4.大塊非晶合金機(jī)械性能預(yù)測(cè)

在沒(méi)有受到外應(yīng)力作用的情況下，物體的原子處于平衡狀態(tài)，其引力和斥力達(dá)到了平衡狀態(tài)。在這種情況下，原子的位能處于最低水平。相反，在受到外應(yīng)力作用的情況下，外應(yīng)力能夠有效地克服引力和斥力的作用，促使原子進(jìn)行位移，產(chǎn)生應(yīng)變。然而，如果外應(yīng)力不足以抵消引力和斥力的相互作用，那么一旦應(yīng)力消失，那么原子之間又會(huì)發(fā)生互相作用，引力和斥力則會(huì)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。通過(guò)以上可以看出，機(jī)械性能的物理本質(zhì)是標(biāo)志是原子結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中受到的阻力大小。機(jī)械性能會(huì)隨著阻力的變大而提高。在對(duì)非晶合金的熱穩(wěn)定程度進(jìn)行分析的過(guò)程中我們可以得出這樣的結(jié)論，非晶形成焓對(duì)非晶合金結(jié)構(gòu)中原子的遷移過(guò)程能夠產(chǎn)生了較大影響。換句話說(shuō)，對(duì)物質(zhì)機(jī)械性能產(chǎn)生影響的主要因素就是焓。

非晶合金的出現(xiàn)，被譽(yù)為冶金材料的一次革命，在機(jī)械性能方面具有耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性等優(yōu)點(diǎn)，因而在不少機(jī)械設(shè)備制造中廣泛應(yīng)用。其機(jī)械性能的優(yōu)越性，代替了一些金屬原材料的應(yīng)用，推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪衛(wèi)華.非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性[J].物理學(xué)進(jìn)展，2013（10）.

[2]胡壯麒，張海峰.塊狀非晶合金及其復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].金屬學(xué)報(bào)，2010（11）.

[3]張哲峰，伍復(fù)發(fā)，范吉堂.非晶合金材料的變形與斷裂[J].中國(guó)科學(xué)（G輯：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)），2008（04）.

[4]王立軍，張廣強(qiáng).鐵基非晶合金應(yīng)用于電機(jī)鐵芯的優(yōu)勢(shì)及前景[J].金屬功能材料，2010（10）.

作者簡(jiǎn)介：姜帆，邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程系，郵編：422000；1994年8月，男，漢，本科。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。