具有拉伸塑性和明显增强的β弛豫行为的高能态非晶丝（英文）

本文通过Taylor–Uitovsky方法成功制备了高质量Fe基、Ni基、Co基非晶丝.与相同成分的传统非晶合金相比,该非晶丝表现出普遍的β弛豫增强和更高的能量状态,可以认为是高回春态的非晶丝.值得注意的是,这种非晶丝的能量增强率达到了216.38%,是目前各种增强非晶合金能量状态方法中的最高值.研究发现, β弛豫的增强归因于结构异质性引起的高能量状态,从而使得非晶丝具有优良的力学性能,跟相同成分的非晶条带相比,其断裂强度提高至3240 MPa,拉伸塑性应提高至1.7%.本研究从β弛豫的角度实现了高能态的非晶合金的制备,为打破强度和拉伸塑性之间的权衡提供了一个新见解.     

低温热循环加速非晶合金剪切带在室温的结构弛豫（英文）

低温热循环是实现非晶合金结构回春的一种简单有效方法,但某些非晶合金在低温热循环处理后发生弛豫而不是回春.本研究通过在非晶合金中引入剪切带,在同一块样品上获得了不同区域初始能量不同的非晶合金,系统地研究了不同初始状态对低温热循环处理效果的影响.研究结果发现,在经过低温热循环处理后,同一试样中的剪切带发生结构弛豫,而基体发生结构回春.类似的双向变化趋势还可以从显微硬度、纳米压痕曲线以及压痕形状的变化上得到验证.经历了100次低温热循环处理后,剪切带和基体的焓和硬度均收敛到一个平衡值.低温热循环能够加速剪切带的结构弛豫,实现了在低温热循环的上限温度上做长时间退火所达不到的状态.文中还采用自由体积模型对实验结果进行分析,阐明了非晶合金的初始状态影响其结构演化方向的机理.本研究为低温热循环处理非晶合金提供了新见解,阐明非晶合金初始状态在其焓变方向上的关键作用.     

团簇线规律在合金相结构中的应用

研究了Zr-Al-Ni体系中合金相的团簇结构规律,指出了在合金相结构中团簇之间以不同方式共享原子的事实.共享后有效团簇的成分就是相成分,这类相称为非团簇相;共享后的有效团簇必须加上连接原子才能构成空间相结构,这类相称为团簇相.在典型的非晶形成体系Zr-Al-Ni中,团簇相有3个:AlNiZr-Fe_2P结构,Al_2NiZr_6-InMg_2结构和Al_5Ni_3Zr_2-Mn_(23)Th_6结构.对于团簇相的成分和结构,可以用模型(相成分=[有效团簇]+(连接原子))来解释.这种用来解释非晶成分的团簇线规律是对合金相成分和结构的一种全新理解.由于团簇的形成来源于组元间的负混合焓,这应该是合金相结构中普遍存在的规律.     

具有BCC或FCC晶体结构的固溶体高熵合金设计

高熵合金最初报道于21世纪初期,该类合金具有较高的混合熵值,使其具有优异的热稳定性;较大的晶格畸变,产生了强烈固溶强化效果;较大的负焓值导致在晶粒内部形成团簇结构,有效阻碍了位错运动,进一步提高了合金强度。高熵合金独有的这些特性,使其在低温和高温条件下均有望表现出优异的物理性能和力学性能,引起了广泛的关注,研究报道呈爆发性增长。本文根据已有的BCC和FCC结构高熵合金物理-力学性能数据,分析了电子浓度、晶格常数、原子错配度、混合焓、硬度、弹性模量和归一化硬度等参数之间的关系,提出了BCC和FCC晶体结构的高熵合金弹性模量和硬度的经验计算公式,在此基础之上,综合考虑合金密度、塑性和服役工况等条件,提出了BCC和FCC结构的高熵合金成分设计方法。最后指出高熵合金的持久性能、大尺寸铸锭的成分和性能均匀性以及大尺寸合金锭的制备是高熵合金工程应用需解决的关键问题。     

纳米铝铅合金的生长与形貌研究

依据Miedema理论设计合金均值混合成分,采用磁控溅射法制备合金。SEM和HRTEM结果表明合金是由5纳米左右的颗粒组成,并且颗粒分布均匀。正混合焓合金出现非晶可能是因为界面处的应力变形造成的。     

Zr_(50-x)Cu_(50)Al_x(x=0～25)合金中的二十面体团簇以及Al添加对非晶形成能力和结构转变的影响

采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)技术研究了Al元素的添加以及二十面体团簇结构对不同冷却速率下Zr50-xCu50Alx(x=0～25)合金的非晶形成能力、合金结构以及相变过程的影响。结果表明,对直径3mm的Zr45Cu50Al5合金,其主相为ZrCu和二十面体相,而对于直径为3mm的Zr45Cu50Al5合金,其主相则为ZrCu和非晶相。二十面体相的衍射峰强度随着冷却速率的增加而大大降低,直至变成弥散峰。反映出二十面体相与非晶相之间存在强烈的关联性。Zr-Cu-Al合金中的非晶相与二十面体相具有相同的短程有序结构,即二十面体团簇结构,这种5次对称的原子堆垛结构与周期性有序的晶体结构互不相容,从而起到阻碍结晶、提高非晶形成能力的作用。     

高熵非晶合金设计、制备及性能的研究进展

高熵非晶合金是一种新兴的合金材料,兼具高熵合金成分特征与非晶合金结构特征,因具有优异的机械物理性能与巨大的应用潜力而受到了广泛的关注.目前高熵非晶合金的研究处于起步阶段,本文介绍了高熵非晶合金成分设计的基本依据,着重分析了高熵非晶合金的关键物理参量(混合熵△Smix、混合焓△Hmix、原子错配度δ)等对高熵非晶材料组织结构的影响.当前已开发的高熵非晶合金材料体系有限,制备方法继承了非晶合金与高熵合金的制备特征,其制备手段大致可以分为:液相法、气相法以及固相法.由于其优异的热力学性能,高熵非晶合金有望通过热喷涂手段突破尺寸限制,实现大规模应用.高熵非晶合金性能的研究主要集中在力学性能、耐腐蚀性能、磁性能、非晶形成能力与热稳定性等方面.其中高熵效应对非晶形成能力的影响、高熵非晶合金的结构与热力学特性及高熵非晶合金的异常热稳定性等科学问题亟待解决.本文还展望了基于材料基因工程理念的高熵非晶合金材料体系研究及该类材料的应用前景.     

基于磁相互作用探索P掺杂对Fe-Si-Nb-Cu-B合金带材组织结构和软磁性能的影响

类金属元素是改善Fe基非晶纳米晶合金非晶形成能力和软磁性能的重要添加剂。用单辊甩带法制备了Fe_73.5Si_13.5Nb₃Cu₁B_9-xP_x(x=0, 3%, 6%, 9%)(原子分数)合金带材,从各元素间磁相互作用出发探索了P替换B对合金组织结构和软磁性能的影响。实验结果表明,P添加可有效提高合金的初晶相晶化温度以及合金的非晶形成能力;但是二次晶化相的析出温度降低,弱化了其热稳定性。当P含量为3%(原子分数)时,合金有较宽的退火温度窗口,且可有效细化初晶相晶粒尺寸,并在525℃退火后表现出最佳软磁性能,此时合金晶粒尺寸为9 nm,矫顽力为0.21 A/m,同时有效磁导率高于x=0合金。但是由于P的添加,残余非晶相中Fe的磁矩降低,导致合金的饱和磁感应强度降低。     

非晶合金韧脆转变机理研究获进展

<正>关于合金材料的本征韧脆特性机理,究竟主要是原子尺寸因素,还是电子结构因素,长期以来有争论。为什么有些合金晶体结构相同且晶格常数相近,而在相同温度条件下韧性差别很大?显然不能仅用晶格类型和滑移系的多少来解释,而必须考虑原子间的结合性质。对于NiAl和TiAl等高温合金材料,这一争论更为突出。由于很难在保持单相均匀结构的前提下通过成分微调来改变其韧脆特性,使得合金韧脆特性的本源问题一直没有明确的结论。有趣的是,非晶合金(又称金属玻璃)可以通过成分微调在不改变其无序结构特性的前提下显著改变其韧性大小,这为通过     

铝基非晶材料研究与再制造应用前景

发现于20世纪60年代的铝基非晶合金作为一种低密度材料拥有着较高的比强度,而且与传统晶态材料相比,呈现出长程无序、短程有序的原子排列特点,其内部不存在晶界、位错等较易引发失效的缺陷结构,表现出高硬度和优异的防腐、耐磨等性能,受到了国内外众多学者的广泛关注.起初,这类材料由于受到制备工艺的限制,表现为非晶与纳米晶共存的结构.随着科技发展,科学家们开发了一系列具有完全非晶结构的铝基合金体系.这些材料在具有较高的机械强度的同时能够表现出良好的韧性,使人们对其非晶形成能力、制备方法及应用推广等方面产生了较大的兴趣.对铝基非晶合金非晶形成能力的研究,学者们通常基于块体非晶合金非晶形成能力的经验判据,以及其他一些新提出的判定方法,如蒸发焓、费米层电子态密度、原子扩散以及析出相熔点等.但是,由于铝基非晶合金过冷液相区间较窄以及Al元素化学活性较强,因此铝基非晶合金的非晶形成能力普遍较弱.虽然人们在元素种类及含量变化对铝基非晶合金非晶形成能力的影响等方面做了大量的研究工作,但是目前仍未形成具有普适性的或更加精确的铝基非晶形成能力判定方法,未来仍需借助高性能材料模拟计算和机器学习等技术来进行完善.铝基非晶合金非晶形成能力较弱,以及其对外界条件的影响较为敏感,导致其在制备过程中易发生晶化,从而使获得的材料尺寸维度普遍较低.目前,铝基非晶合金的常见制备方法可按照其形态(粉状、块体、涂层等)来进行划分.粉状铝基非晶合金的制备方法主要为气雾化法和机械合金化法;块体铝基非晶合金的制备方法主要为直接凝固法和粉末冶金法;涂层类铝基非晶合金的制备方法主要包括激光熔覆、爆炸喷涂、冷喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂.相对而言,铝基非晶涂层制备技术不会受到工件尺寸的限制,工艺简单、操作方便,且适合于户外大面积施工,在表面防护与再制造工程领域更具应用潜力.尤其是在大型舰船、飞机、海洋设施等高附加值零件的再制造领域里,铝基非晶涂层制备技术的大规模推广应用将会带来巨大的经济效益.本文介绍了铝基非晶合金的发展过程、非晶形成能力、制备方法等内容,总结了铝基非晶涂层在再制造领域的应用前景,并展望了铝基非晶合金的未来研究方向.     

超高强钴基块体非晶合金的组成设计

块体非晶合金是一类具有高强度、高硬度和大弹性极限的无序金属材料,其优异的力学性能是目前先进金属材料领域研究热点之一,如何提高材料的强度是材料研究领域永恒的主题。系统地总结了已知具有超高强度的一类块体非晶合金材料——钴基块体非晶合金的成分、热学稳定性及力学性能;同时研究了不同非晶合金的断裂强度与其弹性常数、硬度和特征温度的关联。研究结果表明:在非晶合金体系中杨氏模量、维氏硬度、玻璃转变温度与断裂强度之间都存在较好的线性变化关系。基于以上结果,本课题组提出了超高强钴基块体非晶合金的组成设计方法,即选取具有强共价键特性的非金属元素和高模量、高熔点过渡金属元素与钴元素进行组合。     

压力及制备条件对大块非晶合金结构的影响

大块非晶合金又称大块金属玻璃,是一种具有特殊结构与性能的新型金属材料.本文利用同步辐射XRD技术研究了常压和11.6GPa压力下Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金结构以及0～50GPa压力范围内Fe60Co10Zr8Mo5Nb2B15大块非晶形成合金结构特征的演变.另外,利用同步辐射XRD研究了冲击波处理和水淬条件下制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金微观原子构型的差异.研究表明,压力与制备条件对大块非晶合金的结构均有一定影响,本研究对深入了解大块非晶合金结构本质及进一步开发该类材料具有重要理论和现实意义.     

用机械合金化方法制备Ni-Zr非晶合金

用 Spex 8000 Mixer/Mill 球磨机对 Ni-30at.-%Zr 混合粉末进行机械合金化。观察了粉末的金相组织,测定了粉末的硬度和平均直径,确定了粉末的晶体结构。结果表明,经24h 研磨后,粉末的层状组织消失,成为均匀的单相非晶合金,非晶漫射峰在45°(2θ)附近出现。     

Mg65Cu25Gd10大块非晶合金热稳定性研究

Mg65 Cu25 Gd10非晶合金的热稳定性关系到其作为结构材料的实用性及发展前景.利用差示扫描量热法(DSC)研究了预先弛豫退火处理后Mg65 Cu25 Gd10非晶的特征转变温度和晶化激活能变化,分析了弛豫退火对其热稳定性的影响.通过kissinger方程计算其晶化激活能、频率因子、反应速率系数进一步说明此非晶的晶化过程,并通过X射线衍射分析退火非晶的析晶过程,结果表明低温弛豫提高了非晶的热稳定性.     

类金属元素影响非晶态Fe基合金形成能力的机制

本文对作者提出的非晶态“双层单元结构模型”进行了深入的球面壳层结构分析,探讨了类金属元素在Fe基非晶态合金的“组合单元”中所处的具体部位,从而合理地解释了Fe-B-Si和Fe-P-C合金系的非晶形成能力最强时所对应的类金属B和P的含量均为14at%左右以及P、B、Si、C等类金属元素相互替代时的实验规律。为进一步研究非晶态Fe基一类金属合金的结构与性能及成分的关系提供了一种新的理论模型.     

非晶合金塑性理论研究进展

非晶合金是一类兼具玻璃和金属双重特性的新型材料,具有一系列优异的力学、物理和化学性能,已经在国防、空天等领域显示出广阔的应用前景。非晶合金内部原子排列长程无序、短程有序,没有位错、晶界等传统意义上的晶体缺陷。因此,基于位错、孪生等微观机制的经典塑性理论在描述这类材料的塑性行为时遇到了极大的挑战。目前普遍认为,非晶合金宏观塑性流动是微观动态"流动事件"时空演化的结果。但是,对于"流动事件"的认知还很不清楚。主要介绍了目前几种代表性的非晶塑性流动理论:自由体积理论、剪切转变理论、剪切转变区理论以及协同剪切模型,并对非晶塑性流动的结构起源以及局部化剪切带机理进行了评述,最后简要展望了非晶塑性机理发展的几个问题。     

钒基贮氢合金氢化反应生成焓的计算模型

在研究钒基固溶体贮氢合金的焓变、组成和键参数之间关系的基础上,建立了合金氢化反应焓变的半经验数学模型,得出影响生成焓的主要因素和影响程度.结果表明,在所研究的合金体系中电负性差和电子浓度越小、原子尺寸因素越大,合金的生成焓负值越大,合金氢化物越稳定.     

合金元素对CoCrFeNi基高熵合金相组成和力学性能影响的研究现状

基于多主元设计理念的高熵合金(又称多主元合金)虽然组成元素复杂,但能形成简单结构的固溶体,并具有优异的性能,已成为当前高性能金属材料的研究热点之一。目前的研究主要集中在固溶体形成条件、成分种类、含量、组织结构及不同退火温度对合金的组织和力学性能的影响等方面。学者们还界定了形成固溶体时合金混合焓、原子半径及价电子浓度(VEC)的范围。当前的研究以CoCrFeNi基合金最为广泛,主要研究目标包括提高BCC型合金的塑性或FCC型合金的强度,以及开发具有良好的可铸性、易适应大规模生产的共晶高熵合金。通过降低晶粒尺寸、热处理和引入新元素等方法,使高熵合金产生晶界强化以及析出细小、弥散的第二相,从而有效地强化FCC基体。通过一系列的合金设计,研究出一些低成本、高性能的合金,进而也可用于一些高性能要求的零件或制备成高性能涂层。本文综述了合金元素Al、Cu、Ti、Mn、Mo、Pd、Nb及两种元素协同作用对铸态CoCrFeNi基高熵合金的相组成和力学性能的影响。通过对比发现,不同元素由于其原子半径、电负性以及与其他元素的结合力不同对高熵合金的相形成产生不同的影响,从而影响其力学性能。Al、Ti和Mo等原子半径较大元素的添加会产生固溶强化,使得合金的硬度增大。同时,Al元素的添加会因形成有序的B2相而产生第二相强化;部分合金还能形成共晶高熵合金。Ti和Mo元素由于与其他元素的混合焓较小容易形成复杂的化合物使得合金变脆。而Cu与其他元素混合焓较大,易优先在枝晶间析出。铸态下Mn含量的变化不影响合金的晶体结构,合金为FCC相。经过时效处理后,Mn含量高的合金有少量σ相析出。添加Nb元素后,合金由于Laves相的出现强度增加且变脆。此外,还对添加Pb元素后合金的饱和磁化性能以及部分合金的耐腐蚀性等进行了综述。本文可为高熵合金的成分设计及研究提供参考。     

合金物理与化学框架

合金物理与化学框架是由相互关联的原子团簇交迭模型、特征原子排列模型、特征晶体混合模型和性质变化数学模型组成，是金属材料系统科学框架的中枢。它使合金电子结构、晶体结构、热力学性质和物理性质相互关联。依据由此框架得到的特征原子序列和相应的特征晶体序列的结构参数和性质，便可进行无序和有序合金的单原子操纵设计，并能预计它们的电子结构、晶体结构、晶格常数、热力学性质和物理性质随成分的变化。     

铁含量对Fe-P-C非晶合金降解亚甲基蓝性能的影响

本文制备了四种不同铁含量的Fe80+2x P10-x C10-x(x=0,1,2,3(原子分数,％))非晶合金条带,通过类芬顿反应催化降解亚甲基蓝(Meth-ylene blue,MB)溶液对它们性能的影响进行比较研究,探讨铁含量对铁基非晶合金降解性能的影响.结果表明,目前Fe-P-C非晶合金条带通过类芬顿反应降解MB表现出优异的性能,且铁含量越高,降解性能越好,但当铁含量超过82％后,铁含量对降解性能的影响不显著.由表面形貌观察可知,随着Fe含量的增加,反应后的Fe-P-C非晶条带表面呈现更加疏松多孔的结构,这有利于获得高的降解效率.循环降解测试显示,四种不同铁含量Fe-P-C非晶合金条带的降解性能差别不大,且均具有较长的使用寿命,这可能与降解过程中形成具有松散片层状结构和3D花状网格结构的表面形态有关.X射线电子能谱分析结果表明,Fe含量的不同并不影响Fe-P-C非晶合金的降解反应机理.