非平衡材料优秀课件.ppt

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1、非平衡材料非平衡材料第1页，本讲稿共38页4.1 非晶合金非晶合金n n4.1.1 4.1.1 基本概念n n晶体：原子、离子或分子按照一定的空间顺序排列晶体：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。而成的固体。例如食盐、明矾、金属等。n n非晶：不具有晶体结构的固体。第2页，本讲稿共38页4.1.1 基本概念基本概念n n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。n n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。第3页，本讲稿共38页基本概念基本概念n n临界冷却速度：为了得

2、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）Ni1010.5Pd82Si18104.6104.5Fe83B17106106第4页，本讲稿共38页非晶合金的种类非晶合金的种类过过渡族金属渡族金属/B、C、Al、Si等等过过渡族金属的左渡族金属的左/过过渡族渡族金属的右金属的右金属（金属（Mg、Ca、Sr）/金属（金属（Al、Zn、Ga）第5页，本讲稿共38页4.1.2 非晶合金的制备方法非晶合金的制备方法n n液相凝固控制法：液相凝固控制法：薄带、细丝、粉末薄带、细丝、粉末n n气相凝缩控制法：气相凝缩控制法：薄膜、超细粉薄

3、膜、超细粉n n固相反应控制法：固相反应控制法：粉末（固相扩散、气粉末（固相扩散、气体吸收）体吸收）第6页，本讲稿共38页最常用的是液相凝固控制法最常用的是液相凝固控制法n n单辊法：单辊法：19751975年；年；20cm20cm宽，宽，70m70m厚的薄带厚的薄带n n纺丝法：纺丝法：19801980年，数万米长的线年，数万米长的线第7页，本讲稿共38页粉末冶金在非晶合金中的应用粉末冶金在非晶合金中的应用n n薄带、细丝、粉末 颗粒分散强化材料、非晶合金n n固结n n爆炸、冲击等晶化温度以下的烧结。n n焊接：超声波、激光第8页，本讲稿共38页4.1.3 材料性能材料性能1）力学性能n

4、n原子无秩序排列n n无易滑移面，性能各向同性n n非变形硬化，完全弹塑性体n n高强度、硬度，高韧性n n难加工材料可进行5090%的冷加工n n气氛、温度影响使用，氧化、脆化第9页，本讲稿共38页塑性塑性n n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

5、程无序的非晶状态时明显。当金属合金达到结构长程无序的非晶状态时(在室温下，非晶在室温下，非晶合金强度远远高于同成分的晶态金属合金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，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。的脆性严重制约了它们作为高强度工程材料的广泛应用。第10页，本讲稿共38页研究人员利用常用的研究人员利用常用的Zr、Cu、Ni和和Al金属元素金属元素,根据自己根据自己提出的模量判据，通过快提出的模量判据，通过快速凝固的现代冶金手段速凝

6、固的现代冶金手段,合合成出了在室温条件下具有超高成出了在室温条件下具有超高压缩塑性的非晶合金。不同于压缩塑性的非晶合金。不同于以往的非晶合金，这种新开发以往的非晶合金，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，可以像常见的形能力非常强，可以像常见的纯纯Cu，纯，纯Al一样弯曲或形变成一样弯曲或形变成一定的形状。在具有超高塑性一定的形状。在具有超高塑性的同时，该材料还非晶合金高的同时，该材料还非晶合金高强度的特点。强度的特点。第11页，本讲稿共38页2）耐腐蚀性能）耐腐蚀性能n n非晶材料的化学活性高非晶材料的化学活性高 形成金属的钝态膜形成金属的钝态膜 耐耐腐

7、蚀性提高腐蚀性提高n nFe-2%Cr Fe-2%Cr 相当于相当于 18-818-8不锈钢不锈钢 （非晶）（非晶）（晶体材料）（晶体材料）n nNN的盐酸中，的盐酸中，1 1年的腐蚀速度年的腐蚀速度 （mmmm）n n非晶非晶FeFe72CrCr8P P13C C7 为为 小于小于 0.000010.00001n n18-818-8不锈钢不锈钢 为为0.50.5钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性钝态膜的形成可防止氢脆，超耐腐蚀性TiTi、NbNb第12页，本讲稿共38页3）磁性）磁性n n无磁各向异性，均质的软磁体n n低矫顽力n n高透磁率n n低磁损n n电阻高n n铁损小n n强度高、

8、弹性好第13页，本讲稿共38页4）其它其它n n因瓦效应：低热膨胀，Fe83B17，600K极低温n n超导：Mn、Nb、Zr系n n催化剂：CO与H2、NO与H2，比传统催化剂具有更高的性能n n耐辐射：比晶体耐中子辐射，有望作为核炉壁材料n n吸氢：Ni-Zr，吸氢速度快第14页，本讲稿共38页4.1.4 应用与将来展望应用与将来展望特性有希望得到应用的领域强韧性线、导轨、弹簧、应变传感器、复合件耐腐蚀油净化过滤、化学装置、医疗器械软磁磁性屏蔽、磁头、耳机磁芯、磁过滤磁滞伸缩振子、延迟线、传感器元件超导氦气液面计、磁场传感器第15页，本讲稿共38页非晶合金干式变压器非晶合金干式变压器n n

9、非晶合金非晶合金干式变压器干式变压器,具有如下三大突出优点具有如下三大突出优点 一、性能好一、性能好-损耗低（空载损耗较损耗低（空载损耗较SCSC（B B）1010系列下降系列下降7070）、噪声小、局放小、噪声小、局放小 .二、成功地解决了受力不如传统的变压器好这一难题二、成功地解决了受力不如传统的变压器好这一难题 三、节能环保三、节能环保,性价比高性价比高,结构紧凑合理结构紧凑合理,外型和谐美观外型和谐美观 第16页，本讲稿共38页日本在非晶材料应用方面作了大量工作日本在非晶材料应用方面作了大量工作n n为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送电网时，为了提高电力设备效率，减低送

10、配电的损失，采用高压送电网时，为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送电网时，为了提高电力设备效率，减低送配电的损失，采用高压送电网时，建议采用铁损少的非晶变压器，建议采用铁损少的非晶变压器，建议采用铁损少的非晶变压器，建议采用铁损少的非晶变压器，20022002年开始首批采用非晶变压器，年开始首批采用非晶变压器，年开始首批采用非晶变压器，年开始首批采用非晶变压器，日本已将非晶变压器作为落实京都议定书防止气候变暖、减少有害日本已将非晶变压器作为落实京都议定书防止气候变暖、减少有害日本已将非晶变压器作为落实京都议定书防止气候变暖、减少有害日本已将非晶变压器作为落实京都议定书防止气候变暖

11、、减少有害气体排放的绿色环保产品，全面推广使用。政府部门首先带头使用，气体排放的绿色环保产品，全面推广使用。政府部门首先带头使用，气体排放的绿色环保产品，全面推广使用。政府部门首先带头使用，气体排放的绿色环保产品，全面推广使用。政府部门首先带头使用，其次是制定绿色采购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶其次是制定绿色采购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶其次是制定绿色采购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶其次是制定绿色采购法，国家机关动员优先购买绿色产品，对非晶变压器作为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变变压器作为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变变

12、压器作为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变变压器作为首选产品，同时，政府对使用非晶变压器和制造非晶变压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。压器企业给予资金补助、优惠融资、税制优惠等措施。第17页，本讲稿共38页在我国推广应用非晶材料变压器经济和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社会效益十分巨大 n n全国配电变压器约全国配电变压器约全国配电变压器约全国配电变压器约2020亿亿亿亿KVAKVA，如果全部采用非晶变压器，将减少，如果全部采用非晶变压器，将减少，如果

13、全部采用非晶变压器，将减少，如果全部采用非晶变压器，将减少空载损耗空载损耗空载损耗空载损耗360360万万万万KWKW，每年可节约电耗，每年可节约电耗，每年可节约电耗，每年可节约电耗 321321亿度，折合人民币亿度，折合人民币亿度，折合人民币亿度，折合人民币193193亿亿亿亿元；可减少煤耗元；可减少煤耗元；可减少煤耗元；可减少煤耗1220 1220 万吨，减少万吨，减少万吨，减少万吨，减少COCO2 2气体排放气体排放气体排放气体排放488 488 万吨，减少万吨，减少万吨，减少万吨，减少SO2SO2气体排放气体排放气体排放气体排放 15.86 15.86 万吨，减少万吨，减少万吨，减少万

14、吨，减少NO2NO2气体排放气体排放气体排放气体排放 7.32 7.32 万吨。而非晶变压万吨。而非晶变压万吨。而非晶变压万吨。而非晶变压器价格仅为同规格硅钢变压器的器价格仅为同规格硅钢变压器的器价格仅为同规格硅钢变压器的器价格仅为同规格硅钢变压器的1.31.3倍以下，节约的电费倍以下，节约的电费倍以下，节约的电费倍以下，节约的电费3 3年左年左年左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

15、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，加快钢铁行业的产品结构调整。钢铁行业的产品结构调整。钢铁行业的产品结构调整。钢铁行业的产品结构调整。第18页，本讲稿共38页非晶合金材料正应用于电子工业技术领域非晶合金材料正应用于电子工业技术领域 n n随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合金随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合金随着电子技术向高频、小型化方向发展，非晶微晶软磁合金随着电子

16、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中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米晶合金在中高频段中大量使用，成本逐渐向硅钢接近。纳米

17、晶合金在中高频段中大量使用，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，将性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问题之后，将性能远高于锰锌铁氧体，解决批量生产和成本问题之后，将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。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。磁干扰滤

18、波器已经代替镍锌铁氧体，今后还会扩大使用范围。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复合纳米磁性材料在复合纳米磁性材料在复合纳米磁性材料在100mhz100mhz至至至至10ghz10ghz将与镍锌铁氧体争夺使用将与镍锌铁氧体争夺使用将与镍锌铁氧体争夺使用将与镍锌铁氧体争夺使用领域。领域。领域。领域。第19页，本讲稿共38页我国非晶合金材料基本实现产业化我国非晶合金材料基本实现产业化 n n我国自我国自我国自我国自“六五六五六五六五”开始连续在四个五年计划中投入大量资金，对非晶合开始连续在四个五年计划中投入大量资金，对非晶合开始连续在四个五年计划中投入大量资金

19、，对非晶合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。经过近金材料组织了重点科技攻关。经过近金材料组织了重点科技攻关。经过近金材料组织了重点科技攻关。经过近2020年的努力，已取得了年的努力，已取得了年的努力，已取得了年的努力，已取得了200200项项项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。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。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。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。n n一条千吨级生产线成功地喷出了一条千吨级生产线成功地喷出了一条千

20、吨级生产线成功地喷出了一条千吨级生产线成功地喷出了220mm220mm宽带材，标志着我国在宽带材，标志着我国在宽带材，标志着我国在宽带材，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带材最大宽度为带材最大宽度为带材最大宽度为217mm217mm）。随后，千吨级带材生产线又成功实现在）。随后，千吨级带材生产线又成功实现在）。随后，千吨级带材生产线又成功实现在）。随后，千吨级带材生产线又成功实现在线自动卷取，从

21、而使我国非晶材料生产能力继美国之后跃居世界第二线自动卷取，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。位。位。位。第20页，本讲稿共38页4.2 伪合金（假合金）伪合金（假合金）4.2.1 基本概念n n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n n热力学相容性：A+B AB 时，G180Wm-1K-1182Wm-1K-1扬氏模量274GPa274.6GPa表面状态六面光洁度1.6、无污染实测达到要求尺寸符合图纸符合要求吸附性能密闭容器,5kg压力不

22、吸附He气满足要求第37页，本讲稿共38页PapersChengchang JiaChengchang Jia,et al,Microstructure and Properties of W-Cu Alloys Prepared with Mechanically Activated Powder,Journal of University of Science,et al,Microstructure and Properties of W-Cu Alloys Prepared with Mechanically Activated Powder,Journal of University

23、 of Science and Technology Beijing,2001,8(2),129-132and Technology Beijing,2001,8(2),129-132（IDS Number:446AX,ISSN:1005-8850IDS Number:446AX,ISSN:1005-8850）3 3Chengchang JiaChengchang Jia,et al,Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder,Rare Metals,2001,20(2),112-116,

24、et al,Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder,Rare Metals,2001,20(2),112-116（IDS Number:458MJ,ISSN:1001-0521IDS Number:458MJ,ISSN:1001-0521）Chengchang JiaChengchang Jia,et al,Effect of Cobalt on the Sintering Behavior of Mechanically Activated Tungsten Powder,Rare

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

26、on mechanically activated W-Cu powders,Rare Metals 2004;23;269273 LI Zhigang,HE Yuntao,and QU Xuanhui,Spark plasma sintering on mechanically activated W-Cu powders,Rare Metals 2004;23;269273（IDS Number:858MH,IDS Number:858MH,ISSN:1001-0521ISSN:1001-0521）Chengchang JiaChengchang Jia,et al,Sintering K

27、inetics of Mechanically Activated Mo-Cu Powder,Science of Sintering,1999,Vol.31,No.3,p169-174,et al,Sintering Kinetics of Mechanically Activated Mo-Cu Powder,Science of Sintering,1999,Vol.31,No.3,p169-174Chengchang JiaChengchang Jia,et al,Mechanical Alloying and W-Cu,Mo-Cu Alloys,13th International

28、Conference on Composite Materials,Beijing,China,June,2001,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 House,p489 (ISTP Scientific and Technical Document Publishing House,p489

29、 (ISTP 收录收录收录收录)Chengchang Jia,Zhigang Li,Yuntao He,Yanlei Ping,Zizhang Xie,Microstructure and Characteristics of Mechanically Activated W-Cu Powder,China Particuology,2003,1(4):172175Chengchang Jia,Zhigang Li,Yuntao He,Yanlei Ping,Zizhang Xie,Microstructure and Characteristics of Mechanically Activ

30、ated W-Cu Powder,China Particuology,2003,1(4):172175Chengchang JiaChengchang Jia,et al,Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder,Rare Metals,2001,20(2),112-116,et al,Microstructure of Sintered Mo-Cu Alloys with Mechanically Activated Powder,Rare Metals,2001,20(2),112

31、-116（EIEI检索）检索）检索）检索）贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂等，用机械活化与化学活化粉末制备等，用机械活化与化学活化粉末制备等，用机械活化与化学活化粉末制备等，用机械活化与化学活化粉末制备W-CuW-Cu合金，粉末冶金技术，合金，粉末冶金技术，合金，粉末冶金技术，合金，粉末冶金技术，20012001，1919（3 3），），），），p148-152 p148-152（EIEI检索）检索）检索）检索）杨自勤、杨自勤、杨自勤、杨自勤、贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂等，机械活化粉末制备等，机械活化粉末制备等，机械活化粉末制备等，机械活化粉末制备W-CuW-Cu合金的微观组织，北京科技大学学报，合金的

32、微观组织，北京科技大学学报，合金的微观组织，北京科技大学学报，合金的微观组织，北京科技大学学报，20022002，2424（2 2），），），），115-118115-118（EIEI检索）检索）检索）检索）赫运涛，赫运涛，赫运涛，赫运涛，贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂，樊世民等，机械活化，樊世民等，机械活化，樊世民等，机械活化，樊世民等，机械活化W-CuW-Cu粉末的压力烧结，粉末冶金技术，粉末的压力烧结，粉末冶金技术，粉末的压力烧结，粉末冶金技术，粉末的压力烧结，粉末冶金技术，20042004，2222（1 1），），），），33-3633-36（EIEI检索）检索）检索）检索）贾成厂贾成厂贾成

33、厂贾成厂等，等，等，等，用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报，用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报，用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报，用机械活化粉末制备钨合金，清化大学学报，1999,Vol.39,No.6,35-381999,Vol.39,No.6,35-38（EIEI检索）检索）检索）检索）贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂等，机械活化对等，机械活化对等，机械活化对等，机械活化对Mo-CuMo-Cu粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，粉末烧结行为的影响，粉末冶金技术，20002000，1818（3 3），），），），163-

34、166163-166（EIEI检索）检索）检索）检索）贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结贾成厂，解子章，微观组织及应力状态对烧结Mo-CuMo-Cu合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，合金热膨胀系数的影响，稀有金属材料科学与工程，20022002，增刊，增刊，增刊，增刊2 2：85888588贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结贾成厂，何忠，赵军，解子章，烧结贾成厂，何忠，赵军，解

35、子章，烧结Mo-CuMo-Cu合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，合金的热膨胀行为，复合材料（生命、环境与高技术），天津大学出版社，20022002：391394391394贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂等，机械活化等，机械活化等，机械活化等，机械活化W-CuW-Cu粉末的加压烧结，粉末的加压烧结，粉末的加压烧结，粉末的加压烧结，20012001年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，20012001，5 5，武汉，武汉，武汉，武汉，p51p51解子章，解子章，解子章，解子章，贾成厂贾成厂贾成厂贾成厂，烧结，烧结，烧结，烧结Mo-CuMo-Cu合金的组织特征，合金的组织特征，合金的组织特征，合金的组织特征，20012001年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，年全国粉末冶金学术会议，20012001，5 5，武汉，武汉，武汉，武汉，p81p81第38页，本讲稿共38页