非平衡材料讲解

类型
机理
A
W（Cu）合金
B
机械活化
球磨时间
长 适中
最终状态
多考虑粉末
烧结块状材料
对烧结的影响
无促进作用
有大的促进作用
密度
低 高
性能
差 好
液相烧结
烧结W-Cu合金的
A类型
应满足的条件
情况
对烧结的作用
B类型 对烧结的作用
1．液相对固相 润湿角随温度的 无明显作用
的润湿性
升高而减小
可改善润湿性
2．固相在液相 W在Cu中基本上
研究人员利用常用的Zr、 Cu、Ni和Al金属元素, 根 据自己提出的模量判据， 通过快速凝固的现代冶金 手段,合成出了在室温条 件下具有超高压缩塑性的 非晶合金。不同于以往的 非晶合金，这种新开发的 材料在室温下的压缩塑性 变形能力非常强，可以像 常见的纯Cu，纯Al一样 弯曲或形变成一定的形状。 在具有超高塑性的同时， 该材料还非晶合金高强度 的特点。
性能
热膨胀系数 密度 热导率 扬氏模量 表面状态
尺寸 吸附性能
W-Cu合金性能
指标要求
测试结果
7.2±0.2ppm ℃-1
7.18 ppm℃-1
16.1 g cm-3
16.36 g cm-3

>180 W m-1K-1
182W m-1K-1
274GPa
274.6GPa
六面光洁度1.6、 无污染
符合图纸
2）耐腐蚀性能
非晶材料的化学活性高 → 形成金属的钝态膜 → 耐腐蚀性提高
Fe-2%Cr 相当于 18-8不锈钢
（非晶）
（晶体材料）
N的盐酸中，1年的腐蚀速度 （mm）
非晶Fe72Cr8P13C7 为 小于 0.00001 18-8不锈钢 为~0.5
钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性Ti、Nb
我国非晶合金材料基本实现产业化
我国自“六五”开始连续在四个五年计划中投入大量资金， 对非晶合金材料组织了重点科技攻关。经过近20年的努力， 已取得了200项达到国际先进水平的成果，并形成了具有自 主知识产权的专利保护群。
一条千吨级生产线成功地喷出了220mm宽带材，标志着我 国在非晶材料研制和生产上达到国际先进水平（当时美国 生产的带材最大宽度为217mm）。随后，千吨级带材生产 线又成功实现在线自动卷取，从而使我国非晶材料生产能 力继美国之后跃居世界第二位。
1）力学性能 原子无秩序排列 无易滑移面，性能各向同性 非变形硬化，完全弹塑性体 高强度、硬度，高韧性 难加工材料可进行50~90%的冷加工 气氛、温度影响使用，氧化、脆化
塑性
长期以来，探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料 一直是材料领域追求的目标，但是由于变形机制的限制， 在提高材料强度的时候往往伴随着塑性的损失。这一趋势 随着材料晶粒尺寸的减小变得愈加明显。当金属合金达到 结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶合金强度远 远高于同成分的晶态金属合金)，但是其塑性变形能力几 乎完全丧失。这导致非晶材料的脆性断裂。因此，非晶合 金的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。
金属发汗材料
金属发汗材料出现于20世纪30年代，最先获得应用的是用粉末冶金工艺制 成的钨银“假合金”(pseudoal-loy)和钨铜“假合金”；两种金属各以独立、 均匀的相存在，不形成合金相，所以被称为假合金。它们是以钨为基体， 含有约20～50％的银或铜，用作高电压、大功率的电器开关的触点。在假 合金中，存在于钨基毛细孔中的银或铜在高压电弧所产生的高温下液化蒸 发，吸收了大量的电弧的能量，降低了电弧区温度，因而这种假合金的烧 损量不仅大大低于低熔点金属银、铜触点的烧损量，而且低于熔点最高的 金属(钨)的烧损量。当时未用“金属发汗材料”的名称，而称为“假合 金”。50年代末，固体燃料火箭的发展，理论燃气温度和压强分别达到 3593℃和0.703kgf/mm2，原来用的纯钨的喷管已不能满足这样的使用条件， 当时的其他材料也无法满足要求。60年代初, 根据“发汗冷却”的概念重新 研究了钨银“假合金”，详细研究了制取工艺对材料性能的影响，以及发 汗冷却、抗热震等机理。60年代中期，美国研制出钨银发汗材料（W-10Ag） 火箭喷管，装备于“北极星”潜艇的导弹中。其他一些火箭有用钨铜喷管 的。某些在温度稍低的条件下使用的部件，也采用了钼铜和钼银发汗材料。
钢铁行业的产品结构调整。
非晶合金材料正应用于电子工业技术领域
随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合 金材料已制成各种各样磁性器件逐步应用于电力工业、电 子工业及电力电子技术领域，诸如铁基非晶合金已经可以 在工频中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在 中高频段性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问 题之后，将成为中高频电源变压器的首选材料。纳米晶合 金在某些抗电磁干扰滤波器已经代替镍锌铁氧体，今后还 会扩大使用范围。复合纳米磁性材料在100mhz至10ghz将 与镍锌铁氧体争夺使用领域。
气体吸收）
最常用的是液相凝固控制法
单辊法：1975年； 20cm宽，70μm厚的薄带 纺丝法：1980年，数万米长的线
粉末冶金在非晶合金中的应用
薄带、细丝、粉末 → 颗粒分散强 化材料、非晶合金
固结 爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。 焊接：超声波、激光
4.1.3 材料性能
触头材料也称触点或接点，是高低 压电器中的关键元件，担负着导通 与分断电流的作用，直接影响电器 的可靠性与寿命
对触头材料的基本要求
物理性能：低电阻、高热导、熔点、熔化 热、热稳定性好
力学性能：室温、高温强度，硬度、塑性 电接触性能：耐电弧烧损、接触电阻低 化学性能：耐腐蚀性好、不易氧化、不形
中的溶解度
不溶解
3．适当的液相 一般可满足 量 （ 15% 以 上 ）
Cu 在 W 中 有 溶 解，对烧结不 利
使液相的量减 少
与化学活化结合， 促进固相在液相中 的溶解
能够保证液相的量
a) 本研究制备合金的组织
b) 传统方法制备合金的组织
本研究所制备的合金具有组织均匀、 晶粒细小、性能优异等特点。
成不导电的化合物 加工性能：可焊接 利用Ag与W各自的性能
2） 为材料设计开拓领域
单一材料无法满足要求 互不相容的体系 充分利用各类材料的优点 成分自由度大
合金（复合材料）的形成方式
钼铜合金介绍
1、高电导高热导特性。钼是金属中除金、银、铜等金属外，电导和热 导性比较好的元素。 2、低的可调节的热膨胀系数。铜的热膨胀系数较高，钼的热膨胀系数 却很低。 3、特殊的高温性能。钼的熔点为2 610℃，而铜的熔点仅为1 083 ℃ ， 钼铜合金在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当温 度超过铜的熔点时，材料中的铜可以液化蒸发吸热，起到冷却作用（发 汗冷却）。 4、无磁性。钼和铜均为非铁磁性金属，因此所组成的钼铜合金是一种 优良的无磁材料。 5、低气体含量和良好的真空性能。 6、良好的机加工性。纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性，机加工比 较困难。而钼铜合金由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加，故有利于 机加工，可以加工成复杂形状的部件。
炉壁材料 吸氢：Ni-Zr，吸氢速度快
4.1.4 应用与将来展望
特性 强韧性
耐腐蚀 软磁 磁滞伸缩 超导
有希望得到应用的领域
线、导轨、弹簧、应变传感器、复合 件
油净化过滤、化学装置、医疗器械
磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤
振子、延迟线、传感器元件
氦气液面计、磁场传感器
非晶合金干式变压器
非晶合金干式变压器,具有如下三大突出优点 一、性能好---损耗低（空载损耗较SC（B）10系列下
原子的易动度随温度的降低而下降，进一步 冷却，得到固体状态、液体结构的物质。
基本概念
临界冷却速度：为了得到非晶材料，在液 体材料冷却过程中，不发生晶体化的最小 冷却速度。
一些物质的临界冷却速度
成分
实测 （K/s） 计算 （K/s）
Ni Pd82Si18 Fe83B17
－－ 104.6 106
4. 非平衡材料
稳态、亚稳态、非稳态
4.1 非晶合金
4.1.1 基本概念
晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺 序排列而成的固体。例如食盐、明矾、金属 等。
非晶：不具有晶体结构的固体。
4.1.1 基本概念
过冷液体：冷却速度很快，不能实现从液相 到固相的转变时，在凝固点以下仍能够保持 液相结构的物质形态。
of University of Science and Technology Beijing, 2001, 8(2), 129-132（IDS Number:446AX, ISSN:1005-8850）3
在我国推广应用非晶材料变压器经 济和社会效益十分巨大
全国配电变压器约20亿KVA，如果全部采用非晶变压器， 将减少空载损耗360万KW，每年可节约电耗 321亿度，折 合人民币193亿元；可减少煤耗1220 万吨，减少CO2气体排 放488 万吨，减少SO2气体排放 15.86 万吨，减少NO2气体 排放 7.32 万吨。而非晶变压器价格仅为同规格硅钢变压 器的1.3倍以下，节约的电费3年左右就可将增加的成本收 回。另外，通过推广非晶变压器可促进钢铁行业向高精尖 技术领域发展，促进国内非晶材料的生产能力提高，加快
4.2 伪合金（假合金）
4.2.1 基本概念 合金：一种金属元素与其它金属元素或非
金属元素融合而成的物质 热力学相容性：A+B → AB 时，Δ G<0 伪合金：将热力学不相容的组元以某种形
式组成的具有合金性能的材料
4.2.2 伪合金的意义
1）充分利用材料的性能 例如触头材料