精品材料化学课件第三章 金属材料.ppt

1、轻金属4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca等。重金属4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等。贵金属Au、Ag、Pt、Rh（铑）、Cd（镉）等。稀有金属相对稀少或产量较少Ti、W、V、Nb、Mo等。放射性金属如镭（Ra）、铀（U）、钍（Th）等。半金属介于金属与非金属之间的元素，如硅、锗、硼。离域共价键离域共价键金属中的自由（离域）电子金属中的自由（离域）电子20世纪初，世纪初，Drude-Lorentz提出的提出的自由电子理论自由电子理论认为：认为：金属中的价电子类似金属中的价电子类似于理想气体分子，互相之间没有相互作用，但受到原子恒定势场的作用，可于理想气体分子，互相

2、之间没有相互作用，但受到原子恒定势场的作用，可以在整块晶体中自由运动但不能离开表面。以在整块晶体中自由运动但不能离开表面。可以用来解释：可以用来解释：金属的导电导热性、不透明有光泽、延展性、可塑性金属的导电导热性、不透明有光泽、延展性、可塑性；存在局限性：存在局限性：不能定量，对另一些现象如光电效应不能定量，对另一些现象如光电效应,导体、绝缘体的区别不能解释。导体、绝缘体的区别不能解释。一维周期性变化的势场一维周期性变化的势场在金属晶体中，所有原子的能量相近的在金属晶体中，所有原子的能量相近的轨道组合成新的分子轨道，由于这些分子轨道之间轨道组合成新的分子轨道，由于这些分子轨道之间能量差别小，则

3、形成了一个能带能量差别小，则形成了一个能带各个能带按能量各个能带按能量高低排列起来，形成能带结构高低排列起来，形成能带结构。GaAs的扫描隧道显微镜图象的扫描隧道显微镜图象晶体能带结构示意图 禁带宽度禁带宽度 金属：金属：01eV半导体：半导体：5 eVLi晶体的晶体的2s带带3pMg晶体的晶体的3s、3p带带3s2s(b)(b)金属晶体中的原子金属晶体中的原子 单一原子单一原子 最外层电子结构 全满或半满 金属键的饱和性 无 金属键的方向性 无原子半径均一、电子层分布为球形、堆积按原子半径均一、电子层分布为球形、堆积按照最紧密堆积照最紧密堆积 等径圆球密堆积模型等径圆球密堆积模型直线点阵直线

4、点阵结构基元结构基元平面六方平面六方结构基元结构基元3.密置双层密置双层平面六方平面六方结构基元结构基元四面体空穴四面体空穴八面体空穴八面体空穴3.2.2 三维密堆积的三种典型型式三维密堆积的三种典型型式 金属单质的金属单质的堆积形式堆积形式主要有主要有三种三种，其中，其中两种两种为为最紧密堆积，一种非紧密堆积最紧密堆积，一种非紧密堆积。（1）最紧密堆积）最紧密堆积 在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围周围 6 个球相切，在中心的周围形成个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，假个凹位，假设为第一层。设为第一层。123456123456AB，第二

5、层堆砌原子第二层堆砌原子 B第一层堆砌原子第一层堆砌原子A 侧面图侧面图ABABA第三层堆砌方式：第三层堆砌方式：第一种是将球对准第一层的球。第一种是将球对准第一层的球。123456 1.六方最紧密堆积(hcp标记为A3)每两层形成一个周期，即 ABAB 堆积方式，形成六方紧密堆积。配位数 12。AB，第三层的第三层的另一种另一种排列方式：排列方式：将球对准第一层的将球对准第一层的 2，4，6 位，不同于位，不同于 AB 两层的位置两层的位置，这是，这是 C 层。层。123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层

6、再排 A，于是形成，于是形成 ABC排列，排列，ABC三层一个周三层一个周期。期。BCA ABC ABC 形式的堆积，形式的堆积，为什么是面心立方堆积？为什么是面心立方堆积？我们来加以说明。我们来加以说明。2.立方最紧密堆积（ccp 标记为A1)按照ABCABC 方式堆积 三层一个周期结构，可以划出面心立方晶胞，称为立方最紧密堆积。配位数12。(2)非紧密堆积 立方体心堆积（bcp A2)立方体 8 个顶点上的球互不相切，但均与体心位置上的球相切。配位数 8。六方紧密堆积六方紧密堆积面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积立方体心堆积立方体心堆积 金属的金属的堆积方式堆积方式堆积效应和堆积空穴堆积效应

7、和堆积空穴不同堆积方式其堆积效应和空穴有所不同不同堆积方式其堆积效应和空穴有所不同VV球胞堆积系数为0.7405hcp六方最紧密堆积系数六方最紧密堆积系数0.7405ccp立方最紧密堆积系数立方最紧密堆积系数 bcp体心立方最紧密堆积系数体心立方最紧密堆积系数 0.6802堆积空穴堆积空穴 ccp N个半径为个半径为R原子堆积构成原子堆积构成N个八面体、个八面体、2N个四面体空穴；个四面体空穴；八面体空穴容纳八面体空穴容纳0.414R、四面体空穴容纳、四面体空穴容纳0.225R小球。小球。堆积空穴堆积空穴hcp N个半径为个半径为R原子堆积构成原子堆积构成N个八面体、个八面体、2N个四面体空穴

8、；个四面体空穴；八面体空穴容纳八面体空穴容纳0.414R、四面体空穴容纳、四面体空穴容纳0.225R小球。小球。堆积空穴堆积空穴bcp面中心、边中心面中心、边中心八面体空穴；每个面有四个四面体空穴八面体空穴；每个面有四个四面体空穴3.2.3金属单质结构概况 金属单质存在周期更复杂的密堆积结构形式。如：ACAB、ABCBCACAB、ACBCBACACBAB等重复周期的结构。非最紧密堆积还有简单立方、简单六方、体心简单立方、简单六方、体心四方、金刚石型四方、金刚石型等多种堆积形式。堆积名称堆积名称结构形式记号结构形式记号堆积系数堆积系数%配位数配位数实例实例金刚石型金刚石型A434.014Sn简单

9、立方简单立方-52.366a-Po简单六方简单六方-60.048-体心立方体心立方A268.028K体心四方体心四方A669.8110Pa立方最紧密立方最紧密A174.0512Cu六方最紧密六方最紧密A374.0512Mg3.2.4 金属原子半径金属原子半径 金属原子半径随配位数不同稍有变化，即配位数高则半径大。金属原子半径随配位数不同稍有变化，即配位数高则半径大。原子规律性包括：1.同族随原子序数增大而增大；2.同周期随原子序数增大而减小；3.同周期过渡元素原子半径先稳定下降，再稍有增大；4.镧系收缩。3.3 合金结构合金结构合金合金是指两种或两种以上的金属（或者金属与某是指两种或两种以上的

10、金属（或者金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系金属固溶体金属固溶体金属化合物金属化合物3.3.1 金属固溶体金属固溶体金属固溶体金属固溶体两种或多种金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。存在三种结构类型：置换固溶体置换固溶体、间隙固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体缺位固溶体置换固溶体置换固溶体由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点位置所组成。金属固溶体可以表示为：AxB1-x。形成金属固溶体和固溶体存在的浓度范围取决于这两种金属性质是否相似，“相似相溶相似相溶”。金属固溶体形成无限互溶度形成无限互溶度的必要

11、条件为：a.组组分分A和和B具有相同的结构形式具有相同的结构形式;b.组分金属的原子半组分金属的原子半径相近径相近;c.组分金属的电负性相差很少。组分金属的电负性相差很少。与此条件符合好，常形成无限固溶体；符合不好与此条件符合好，常形成无限固溶体；符合不好的情况只能形成有限固溶体。的情况只能形成有限固溶体。ccp A1:Cu,Ag,Au,Ni,-Co,-Fe,Pt,Ir,Rh,Pdbcp A2:-Fe,V,Cr,Mo,W,Nb,Ta,Rb,Cshcp A3:-Co,Zn,Mg,Ti无限可溶：Nb-Ta；Rb-Cs；-Co 和-Fe；Ag-Au；Mo-W；Cu-Ni；Au-Ni等有限固溶：Cu-

12、Zn；Ag-Zn等无序化结构无序化结构超结构超结构无序的无序的Cu1-xAux有序的有序的Cu3Au1有序的有序的CuAu原子半径较小的非金属原子（H,B,N,C等）统计的渗入到过渡金属结构的间隙中形成间隙固溶体。间隙固溶体不是组分元素间形成的化合物，其组成一定范间隙固溶体不是组分元素间形成的化合物，其组成一定范围内可变，具有明显金属性围内可变，具有明显金属性共价键共价键使得合金比纯金属的硬度更高、使得合金比纯金属的硬度更高、熔点更高熔点更高3.缺位固溶体：一般是由被溶元素溶于金属化合物中生成。如Sb溶于NiSb中的固溶体，溶入的Sb占据正常晶格位置，但会导致Ni组分的位置产生空缺。形成固溶体

13、后对材料物理性质的影响固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。3.3.2 金属化合物金属化合物 当合金组分中的当合金组分中的原子半径，原子电负性和价电子层结原子半径，原子电负性和价电子层结构以及单质的结构形式间差别增大时构以及单质的结构形式间差别增大时，倾向于生成，倾向于生成金属化金属化合物物相合物物相。分为。分为正常价化合物正常价化合物、电子化合物电子化合物。结构特征：结构特征：1.金属化合物结构形式不同于纯组分的结构金属化合物结构形式不同于纯组分的结构形式；形式；2.形成金属化合物的原子各自拥有独立的结构位

14、置。形成金属化合物的原子各自拥有独立的结构位置。其组成唯一确定，以其组成唯一确定，以AmBn形式表示。形式表示。MgCu2CaCu5LaNi5、LaCo5 及CeCo5CaCu5的结构相同，他们都具有储氢性能。原理在于储氢合金可以与氢形成金属氢化物。2.电子化合物电子化合物 其组成AmBn在一定范围内可以变化。通常其结构形式决定于每个原子平均分摊到的价电子数，称为电子化合物。Hume-Rothery首先提出按照价电子数和原子数之比来判断电子化合物结构。电子密度=价电子数/原子数族元素价电子数为族元素价电子数为0 0；CuCu、AgAg、AuAu、为、为1 1；ZnZn、CdCd、HgHg为为2

15、 2；AlAl、InIn、GaGa为为3 3；SiSi、GeGe、SnSn、PbPb为为4 4。CuZnCuZnCuCu3 3AlAlAgAg3 3AlAlAuAu3 3AlAlCuCu5 5ZnZn8 8CoCo5 5ZnZn2121CuCu5 5ZnZn3 3AgAg5 5AlAl3 33.3.3 合金结构与性能合金结构与性能1.单相合金单相合金 即单相固溶体，性能受溶剂、溶质种类、数量和溶入方即单相固溶体，性能受溶剂、溶质种类、数量和溶入方式的影响；式的影响；一般溶入的溶质越多，溶剂晶格畸变越大，强一般溶入的溶质越多，溶剂晶格畸变越大，强度、硬度和电阻越高度、硬度和电阻越高。2.多相合金

16、多相合金 多相合金的各相保持各自的性能特点，其综合性能一多相合金的各相保持各自的性能特点，其综合性能一般是组成相的算术平均值，也受到组成相的形状、大小、般是组成相的算术平均值，也受到组成相的形状、大小、和分布。和分布。a.脆性相以网状分布脆性相以网状分布塑塑性、韧性低、有热脆性；性、韧性低、有热脆性；b.脆性相以片状分布脆性相以片状分布硬度强度硬度强度高；高；c.脆性相以颗粒状分布脆性相以颗粒状分布塑性高、强度硬度低于塑性高、强度硬度低于b；d.脆性相呈弥散的质点分布脆性相呈弥散的质点分布高强度、硬度，称为弥散强化。高强度、硬度，称为弥散强化。3.4.1 轻金属合金轻金属合金 铝、镁、钛铝、镁

17、、钛等金属的密度小，分别为等金属的密度小，分别为2.7、1.7和和4.5g/cm3，因此通常称为轻金属，其相应，因此通常称为轻金属，其相应的的铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金铝合金、镁合金、钛合金则称为轻合金。1.铝合金铝合金 铝合金是一种较年轻的金属材料，在铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业世纪初才开始工业应用。铝合金具有应用。铝合金具有密度小、导热性好、易于成形和价格低廉密度小、导热性好、易于成形和价格低廉等优点，广泛应用于等优点，广泛应用于航空航天、交通运输以及轻工建材等部航空航天、交通运输以及轻工建材等部门门，轻合金中应用最广、用量最多。而且其用量仅次于钢材，轻合金

18、中应用最广、用量最多。而且其用量仅次于钢材，成为第二大金属材料。成为第二大金属材料。铝合金的研制在不断地提高强度的同时，更注意改善其抗铝合金的研制在不断地提高强度的同时，更注意改善其抗应力腐蚀性能和断裂韧性。因此，应力腐蚀性能和断裂韧性。因此，高强、高韧是铝合金发展高强、高韧是铝合金发展的主要方向。的主要方向。不同的金属合金系和合金中的添加元素会改变金属的性能不同的金属合金系和合金中的添加元素会改变金属的性能。a.硬铝和超强度硬铝硬铝和超强度硬铝 硬铝：主要添加成分为镁、铜；铁和硅元素则是有害杂质，应予限制；锰的存在体改高抗腐蚀性、细化颗粒、提高强度，锰过高会使塑性降低控制在1%以下。可用作飞

19、机螺旋桨、飞机构件、铆钉和飞机蒙皮等。超硬铝：含有Zn、Mg、Cu等元素；其强度与中碳钢类似、密度较小、可用于航空工业中承力的飞机构件和超音速飞机蒙皮。b.铸造铝合金铸造铝合金 以铸件形式应用的铝合金，以铸件形式应用的铝合金，铝合金具有低熔点，铸件表铝合金具有低熔点，铸件表面光泽流动性好和传热快、化学性质稳定、缺陷少，应用面光泽流动性好和传热快、化学性质稳定、缺陷少，应用广泛。广泛。在全世界的铝消耗中，在全世界的铝消耗中，在全世界的铝消耗中，在全世界的铝消耗中，15%25%为铸造铝合金，铸件成型一般采用压模、硬模、砂模、为铸造铝合金，铸件成型一般采用压模、硬模、砂模、熔模、石膏，也易于用真空铸

20、造、低压铸造、离心铸造等，熔模、石膏，也易于用真空铸造、低压铸造、离心铸造等，以压模铸造最多。以压模铸造最多。主要有主要有Al-Cu、Al-Cu-Si、Al-Si、Al-Zn等等。2.镁合金镁合金 镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有有比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加比重小，比强度、比刚度高，阻尼性、切削加工性、导热性好，资源丰富、无污染等特点工性、导热性好，资源丰富、无污染等特点；但；但与铝合金相比，与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的研究和发展还很不充分，应用有限，其最大的用途是铸件应用有限，其最大的用途是铸件。限制镁合

21、金应用的主要问题：限制镁合金应用的主要问题：镁元素的活泼性，使熔炼和加工过程中容易镁元素的活泼性，使熔炼和加工过程中容易氧化燃烧氧化燃烧，生产难度大；镁合金，生产难度大；镁合金形成技术有待改形成技术有待改进进；耐腐蚀性差耐腐蚀性差；高温强度、蠕变性能低高温强度、蠕变性能低；常温常温的强度、塑韧性有待改进的强度、塑韧性有待改进；合金开发较少，；合金开发较少，变形变形镁合金研究滞后镁合金研究滞后不适应市场需求。不适应市场需求。（1）耐热镁合金）耐热镁合金 耐热性能差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因。通过耐热性能差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因。通过开发镁和稀土或硅的合金是提高其耐热性的重要思路，但开

22、发镁和稀土或硅的合金是提高其耐热性的重要思路，但成本较高。成本较高。（2）耐蚀镁合金）耐蚀镁合金 解决耐蚀问题主要从：解决耐蚀问题主要从：a.严格限制合金中铁、铜、镍严格限制合金中铁、铜、镍等杂质元素含量；等杂质元素含量；b.对镁合金表面进行处理对镁合金表面进行处理,如经化学镀如经化学镀层、阳极氧化、有机涂覆等层、阳极氧化、有机涂覆等。（3）阻燃镁合金）阻燃镁合金 利用溶剂保护法和二氧化硫、二氧化碳、氩气等保护是利用溶剂保护法和二氧化硫、二氧化碳、氩气等保护是行之有效的阻燃方法，但可能降低合金性能，设备成本增加。行之有效的阻燃方法，但可能降低合金性能，设备成本增加。加入钙能够提高镁液的抗氧化燃

23、烧能力，但同时引起机加入钙能够提高镁液的抗氧化燃烧能力，但同时引起机械性能下降；钛也有相似功能但会引起晶粒粗化，并增加热械性能下降；钛也有相似功能但会引起晶粒粗化，并增加热裂倾向。裂倾向。（4）高强高韧镁合金）高强高韧镁合金 Mg-Zn和和Mg-Y体系中加入体系中加入Ca、Zr可增强抗拉强度和屈可增强抗拉强度和屈服强度；在服强度；在Mg-RE-Zr体系中加入体系中加入Ag和和Th可以提高力学性能。可以提高力学性能。（5）变形镁合金）变形镁合金开发变形镁合金是镁合金更长远的发展趋势。开发变形镁合金是镁合金更长远的发展趋势。（6）镁合金成形技术）镁合金成形技术 主要分为两种：变形和铸造。主要分为两

24、种：变形和铸造。新型的铸造方新型的铸造方法还包括：半固态触变铸造成形、消失模铸造、法还包括：半固态触变铸造成形、消失模铸造、挤压铸造挤压铸造-低压铸造结合法、挤压铸造低压铸造结合法、挤压铸造-流变铸造流变铸造结合法、真空倾转法差压铸造。结合法、真空倾转法差压铸造。3.钛合金钛合金 钛合金是上世纪钛合金是上世纪50年代发展起来的一种重要结构金属，年代发展起来的一种重要结构金属，具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，应用广泛具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，应用广泛。第一个实用的钛合金是第一个实用的钛合金是Ti-6Al-4V合金合金，是钛合金中的主，是钛合金中的主要产品，很多钛合金可以看作

25、其改型。要产品，很多钛合金可以看作其改型。在上世纪在上世纪70年代还出现了年代还出现了Ti-Ni等形状记忆合金等形状记忆合金，并用处，并用处广泛。目前世界上已经研制出数百种钛合金，著名的有广泛。目前世界上已经研制出数百种钛合金，著名的有20-30种。可以分为种。可以分为、+、TiTix xAlAl四类四类。国内外钛合金材料的研究进展主要体现在以下方面：国内外钛合金材料的研究进展主要体现在以下方面：（1）高温钛合金高温钛合金：采用快速凝固：采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料法获得高温钛合金，是重要的研究方向。增强复合材料法获得高温钛合金，是重要的研究方向。

26、（2）钛铝化合物为基的钛合金钛铝化合物为基的钛合金：这类材料具有好的高温性能、：这类材料具有好的高温性能、抗氧化性能和抗蠕变性能，是飞机结构件最具竞争力的材料。抗氧化性能和抗蠕变性能，是飞机结构件最具竞争力的材料。（3）高温高韧高温高韧形钛合金形钛合金（4 4）阻燃钛合金阻燃钛合金（5)5)医用钛合金：医用钛合金：钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是理想的医用金属材料。容性，是理想的医用金属材料。3.4.2 钢铁的结构和合金钢铁的结构和合金1.钢铁的结构钢铁的结构钢铁中，碳含量质量分数不同2.0%生铁生铁2.0%C%0.02 钢铁钢铁C%0.6%

27、高碳钢高碳钢 钢铁的性能随其化学组成、热处理工艺的不同而钢铁的性能随其化学组成、热处理工艺的不同而不同；这主要由内部结构变化所引起。不同；这主要由内部结构变化所引起。（1）奥氏体）奥氏体a=356pmFe/C=27:1723oC时，时，C%为为0.8%(2)铁素体铁素体碳在碳在a-Fe中的固溶体中的固溶体(a=286.6 pm)，溶碳能力很小，溶碳能力很小，723oC时时C%只有只有0.02%，只是在，只是在各种缺陷处填入极少量的碳，性质与纯铁相似。各种缺陷处填入极少量的碳，性质与纯铁相似。(3)渗碳体渗碳体 铁和碳之间的组成为铁和碳之间的组成为3：1的化合物，的化合物，C%6.67%,化学式

28、化学式Fe3C。正交晶系。正交晶系:a=452,b=509,c=674pm。马氏体马氏体 可看作a-Fe中C%达1.6%的过饱和固溶体。质地硬而脆，晶型不稳定；其结构为四方单位，晶胞常数c,a随含碳量可变。当含碳量至零时，a=c。2.钢铁的性能钢铁的性能 钢铁的性能受到钢铁的性能受到形成物相、金相组织、碳含量、形成物相、金相组织、碳含量、晶粒大小、加工处理等因素晶粒大小、加工处理等因素的影响。的影响。铁素体和渗碳体是稳定晶型，奥氏体高温稳定、快速冷铁素体和渗碳体是稳定晶型，奥氏体高温稳定、快速冷却为过冷奥氏体，却为过冷奥氏体，200oC附近转为马氏体，钢淬火得马氏体。附近转为马氏体，钢淬火得马

29、氏体。生铁由渗碳体、铁素体组成，硬而脆。含碳量越高，钢生铁由渗碳体、铁素体组成，硬而脆。含碳量越高，钢的硬度越高，含渗碳体、马氏体越多，越是硬而脆。的硬度越高，含渗碳体、马氏体越多，越是硬而脆。在钢铁中存在的物相以一定的形状大小和分布方式组成在钢铁中存在的物相以一定的形状大小和分布方式组成的体系为钢铁的金相组织，以金相显微镜观察研究。的体系为钢铁的金相组织，以金相显微镜观察研究。钢铁钢铁的结构主要指微观晶体结构和亚微观金相组织两个结构层的结构主要指微观晶体结构和亚微观金相组织两个结构层次。次。在发生弹性形变时，晶格形状发生暂时变化；原子间距在发生弹性形变时，晶格形状发生暂时变化；原子间距改变，

30、外力消失则恢复原状。塑性变形时，内部晶粒的原改变，外力消失则恢复原状。塑性变形时，内部晶粒的原子沿晶面滑动，除去外力不复原。子沿晶面滑动，除去外力不复原。一般细晶粒金属强度和一般细晶粒金属强度和塑性都比粗晶粒高。塑性都比粗晶粒高。经过经过塑性变形塑性变形后，金属由于晶面之间产生滑动、晶粒破后，金属由于晶面之间产生滑动、晶粒破碎或伸长等致使金属内出现内应力，发生硬化以阻止再产生碎或伸长等致使金属内出现内应力，发生硬化以阻止再产生滑动，其滑动，其强度、硬度增加强度、硬度增加，塑性韧性降低塑性韧性降低。再结晶会消除内。再结晶会消除内应力，恢复金属塑性前的性能。应力，恢复金属塑性前的性能。钢锭锻炼轧制

31、时，钢锭锻炼轧制时，大晶粒会破碎成小晶粒，同时弥合晶大晶粒会破碎成小晶粒，同时弥合晶界间的微隙，形成致密结构，提高它的机械性能。界间的微隙，形成致密结构，提高它的机械性能。3.4.3 非晶态金属材料非晶态金属材料 一般金属都是由许多小晶粒组成，在晶粒内一般金属都是由许多小晶粒组成，在晶粒内部原子呈规则排列。部原子呈规则排列。非晶态金属材料即为非结晶非晶态金属材料即为非结晶状态的金属材料。状态的金属材料。1.金属玻璃金属玻璃 1959年年Duwez将熔融的将熔融的Au-Si的合金喷射到冷的合金喷射到冷的铜板上的铜板上快速降温快速降温，快速的冷凝过程，快速的冷凝过程使合金来不使合金来不及结晶得到如

32、玻璃一样的非晶态合金及结晶得到如玻璃一样的非晶态合金。因为像玻。因为像玻璃一样没有规则结构，称为璃一样没有规则结构，称为金属玻璃金属玻璃。研究发现，在金属中添加研究发现，在金属中添加15%-30%的硼、碳、硅、硫、的硼、碳、硅、硫、磷、镓、锗、砷等磷、镓、锗、砷等促进非晶化的元素促进非晶化的元素，也有助于形成非晶，也有助于形成非晶态金属。态金属。金属玻璃的金属玻璃的结构结构并无定论：并无定论：1.完全无规则；完全无规则；2.存在几个至存在几个至几十个原子规则排列组成的纳米尺寸的微晶，短程有序，几十个原子规则排列组成的纳米尺寸的微晶，短程有序，但微晶取向无规则。但微晶取向无规则。2.非晶态金属的

33、结构和性能非晶态金属的结构和性能结构特性结构特性 特殊性质特殊性质原子排列长程无序原子排列长程无序 无各向异性，无磁性无各向异性，无磁性短程有序短程有序 保持晶态金属的性质保持晶态金属的性质无晶界无晶界 均匀的结构增强力学、电磁性能、抗腐蚀性均匀的结构增强力学、电磁性能、抗腐蚀性不稳定性不稳定性 一定条件下向晶态转变，影响非晶态性质一定条件下向晶态转变，影响非晶态性质 特别的非晶态金属具有卓越的硬度和机械性能、优越的磁特别的非晶态金属具有卓越的硬度和机械性能、优越的磁屏蔽性能。屏蔽性能。鉴于以上的这些特性，金属玻璃应用前景广阔鉴于以上的这些特性，金属玻璃应用前景广阔。目前，目前，大块非晶应用于

34、大块非晶应用于国防军工国防军工、能源化工、航、能源化工、航空航天和信息等领域；空航天和信息等领域；非晶超微晶软磁合金非晶超微晶软磁合金材料已制材料已制成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，用应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域，用作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、电抗器、滤波器、互感器、及传换机电源的变压器、电抗器、滤波器、互感器、及传感器等。感器等。3.4.4形状记忆合金形状记忆合金 形状记忆合金形状记忆合金是具有

35、形状记忆效应的合金，它是具有形状记忆效应的合金，它能够记忆起受外力作用而变形前的的形状，并且在能够记忆起受外力作用而变形前的的形状，并且在特定条件下自动恢复。特定条件下自动恢复。上世纪上世纪60-70年代，美国海军年代，美国海军研究所首次发现。研究所首次发现。用钛用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线镍形状记忆合金制成的人造卫星天线1.形状记忆合金的结构和性能形状记忆合金的结构和性能形状记忆合金的记忆效应，源自于马氏体相形状记忆合金的记忆效应，源自于马氏体相变及其逆转变的特性。变及其逆转变的特性。形状记忆合金形状记忆合金的三个特征：的三个特征：合金存在热弹性马氏体相，外力作用下易变形；马氏体相的形变主要通过孪晶取向改变产生；母相和马氏体的晶体结构都是有序的 具有形状记忆效应的合金体系：具有形状记忆效应的合金体系：Ni-Ti体系合金、体系合金、Cu-Zn-Al合金及合金及Cu-Al-Ni体系合金体系合金。2.形状记忆效应合金应用形状记忆效应合金应用形状记忆合金铆钉