1、Abstract In this paper, the microstructures and mechanical properties of the two BMG composites with the same composition of Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5, which contain in situ formed dendritic and spherical b.c.c. -Zr (Ti, Nb) solid solutions, are compared based on micrograph observations, XRD

2、 analysis and uniaxial compression tests at room temperature. 由于純金屬性能上的局限性，實際使用的金屬由于純金屬性能上的局限性，實際使用的金屬材料絕大多數是材料絕大多數是合金合金。 由一種固相組成的合金由一種固相組成的合金稱為稱為單相合金單相合金；由幾種不同；由幾種不同相組成的合金稱為相組成的合金稱為多相合金多相合金。 （宏、微觀）（宏、微觀）組織組織指合金中有若干相以一定的指合金中有若干相以一定的數量、形狀、尺寸組合而成數量、形狀、尺寸組合而成的并且具有獨特形態的部分。的并且具有獨特形態的部分。2.3.2 中間相中間相 (金屬間化

3、合物金屬間化合物-intermetallics )固溶體固溶體中間相中間相(金屬化合物金屬化合物)相相 合金相結構合金相結構置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體正常價化合物正常價化合物電子化合物電子化合物間隙相間隙相間隙化合物間隙化合物超結構（有序固溶體超結構（有序固溶體; 超點陣）超點陣）與尺寸有關與尺寸有關拓撲密堆相拓撲密堆相 合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶體結構與組成合金的某一組元的相同，形成的固相的晶體結構與組成合金的某一組元的相同，這種相稱為這種相稱為固溶體固溶體；這種組元稱為；這種組元稱為溶劑溶劑，其他的組元即

4、，其他的組元即為為溶質溶質。 固溶體成分可以在固溶體成分可以在一定范圍內變化，在一定范圍內變化，在相相圖圖上表現為一個區域。上表現為一個區域。 固溶體在結構上的特點固溶體在結構上的特點是必須是必須保持溶劑組元的點陣保持溶劑組元的點陣類型類型。 點陣畸變點陣畸變 盡管結構類型盡管結構類型不變，但不變，但具體結構具體結構還是有所變化還是有所變化的。的。例如，當組元的原例如，當組元的原子尺寸不同時會引子尺寸不同時會引起的起的點陣畸變點陣畸變，原，原子尺寸相差越大，子尺寸相差越大，引起的畸變也越大。引起的畸變也越大。 置換固溶體置換固溶體溶質原子占據溶劑晶格中的結點位溶質原子占據溶劑晶格中的結點位置而

5、形成的固溶體稱置而形成的固溶體稱置換固溶體置換固溶體。當溶劑和溶質原子直。當溶劑和溶質原子直徑相差不大，一般在徑相差不大，一般在15以內時，易于形成置換固溶體。以內時，易于形成置換固溶體。 形成形成無限置換固溶體無限置換固溶體 溶質原子溶入溶劑晶格各結點間的間隙中形成的固溶體，溶質原子溶入溶劑晶格各結點間的間隙中形成的固溶體，稱為稱為間隙固溶體間隙固溶體。 當溶質當溶質原子半徑原子半徑很小，使溶質與溶劑的原子半徑差很小，使溶質與溶劑的原子半徑差r r 41%41%時，溶質原子就可能進入溶劑晶格間隙中而形成間隙固溶時，溶質原子就可能進入溶劑晶格間隙中而形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質元素，都

6、是屬于半徑小于體。形成間隙固溶體的溶質元素，都是屬于半徑小于0.lnm0.lnm的的非金屬元素，如非金屬元素，如H H、O O、 N N、C C、B B等。等。 C在在bcc -Fe和和fcc -Fe中都處于中都處于8面體間隙中形成面體間隙中形成間隙固溶體（為什么？）間隙固溶體（為什么？）（解釋為什么解釋為什么-Fe比比-Fe溶溶C量大？）量大？） 溶質原子溶入溶劑后，將使溶劑的晶格常數溶質原子溶入溶劑后，將使溶劑的晶格常數改變，并使晶格發生畸變改變，并使晶格發生畸變; ;溶入的溶質原子越多，溶入的溶質原子越多，溶劑晶格畸變也越大。當溶質原子較小時，溶劑溶劑晶格畸變也越大。當溶質原子較小時，溶

7、劑晶格畸變也較小。由于溶劑晶格中的間隙是有一晶格畸變也較小。由于溶劑晶格中的間隙是有一定限度的，所以定限度的，所以間隙固溶體都是有限固溶體間隙固溶體都是有限固溶體。 在熱力學平衡狀態下，固溶體的成分在熱力學平衡狀態下，固溶體的成分從宏觀從宏觀看來是均勻看來是均勻的，但從的，但從微觀看微觀看來其溶質原于的分來其溶質原于的分布往往是布往往是不均勻不均勻的。的。ABBBAAEEEABBBAAEEE2ABBBAAEEE2 原子結合能原子結合能 E 兩個孤立原子形成化學鍵后釋放的能兩個孤立原子形成化學鍵后釋放的能量。結合能是內能，故其越小系統越穩定。量。結合能是內能，故其越小系統越穩定。 某些合金，當其

8、成分某些合金，當其成分接近一定原子比時，較高接近一定原子比時，較高溫度時為短程有序，緩冷溫度時為短程有序，緩冷到某一溫度以下，會轉變到某一溫度以下，會轉變為完全有序狀態稱為為完全有序狀態稱為有序有序固溶體固溶體，這一轉變過程稱，這一轉變過程稱為為固溶體的有序化固溶體的有序化。有序。有序固溶體又稱固溶體又稱超結構或超點超結構或超點陣陣。 固溶體的硬度、屈服強度和抗拉強度等總是比組成它的純固溶體的硬度、屈服強度和抗拉強度等總是比組成它的純金屬的平均值高，隨著溶質原子濃度的增加，硬度和強度也隨金屬的平均值高，隨著溶質原子濃度的增加，硬度和強度也隨之提高。這就是之提高。這就是固溶強化固溶強化。 溶質原

9、子與溶劑原子的溶質原子與溶劑原子的尺寸尺寸差別越大，所引起的差別越大，所引起的晶格畸變晶格畸變也越大，也越大，強化效果也越好強化效果也越好。 由于由于間隙原子間隙原子造成的晶格畸變比造成的晶格畸變比置換原子置換原子的大，所以其的大，所以其強強化效果也較好化效果也較好。 在在塑性、韌性塑性、韌性方面，如伸長率、斷面收縮率和沖擊功等，方面，如伸長率、斷面收縮率和沖擊功等，固溶體固溶體要比組成它的兩個要比組成它的兩個純金屬純金屬的平均值低，但比一般的平均值低，但比一般化合物化合物要高的多。要高的多。 綜合看，固溶體比純金屬和化合物具有較為優越的綜合機綜合看，固溶體比純金屬和化合物具有較為優越的綜合機

10、械性能，因此械性能，因此各種金屬總是以固溶體為其基體相各種金屬總是以固溶體為其基體相。 構成合金的各組構成合金的各組元間除了相互溶解而元間除了相互溶解而形成形成（端際）固溶體（端際）固溶體外，當超過固溶體的外，當超過固溶體的最大溶解度時，還可最大溶解度時，還可能形成新的合金相，能形成新的合金相，又稱為又稱為中間相中間相。 中間相大多數是中間相大多數是由不同的金屬或金屬由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的化合與亞金屬組成的化合物，這類中間相也稱物，這類中間相也稱金屬間化合物金屬間化合物。 固溶體固溶體在結構上的在結構上的特點是必須特點是必須保持溶劑組保持溶劑組元的點陣類型元的點陣類型。 中間相中間相

11、具有完全不具有完全不同于各組成元素的晶體結同于各組成元素的晶體結構，各組元原子按一定規構，各組元原子按一定規則在晶格中呈有序排列，則在晶格中呈有序排列，這是與固溶體最重要的區這是與固溶體最重要的區別。別。Fe3C(滲碳體滲碳體)的晶體結構的晶體結構 中間相中間相的結合鍵取決于組元元素之間的的結合鍵取決于組元元素之間的電負性差電負性差。電負性相近的元素，形成的中間相多以金屬鍵為主；而電負性相近的元素，形成的中間相多以金屬鍵為主；而電負性相差較大時，傾向于以離子鍵或共價鍵結合，但電負性相差較大時，傾向于以離子鍵或共價鍵結合，但一般都具有一定程度的金屬性。一般都具有一定程度的金屬性。 中間相中間相的

12、原子通常按一定或大致一定比例組成，的原子通常按一定或大致一定比例組成，可以用可以用化學分子式化學分子式表示，但是除正常價化合物以外，表示，但是除正常價化合物以外，大多數中間相的分子式大多數中間相的分子式不遵循化學價規則不遵循化學價規則，許多中間，許多中間相的成分可以在一定范圍內變化，在相圖上表現為一相的成分可以在一定范圍內變化，在相圖上表現為一個區域，形成以化合物為基的個區域，形成以化合物為基的二次固溶體二次固溶體，比分子式，比分子式多出的某組元的原子可以占據中間相中其他組元的位多出的某組元的原子可以占據中間相中其他組元的位置，或者中間相中某一不足原子比的組元所占據的位置，或者中間相中某一不足

13、原子比的組元所占據的位置空缺，形成所謂置空缺，形成所謂缺位固溶體缺位固溶體。兩種原子半徑差很大兩種原子半徑差很大形成形成間隙相間隙相和和間隙化合物間隙化合物；原子半徑中等程度差別原子半徑中等程度差別形成形成拓撲密堆相拓撲密堆相。 一些化合物的特性與組成元素一些化合物的特性與組成元素原子尺寸差原子尺寸差有關有關 當當rx/rm0.59時，化合物時，化合物具有比較具有比較簡單的晶體結構簡單的晶體結構，稱為稱為間隙相間隙相 . 當當rx/rm0.59時，化合物具有比較時，化合物具有比較復雜的晶復雜的晶體結構體結構，稱為，稱為間隙化合物間隙化合物. 間隙相間隙相與與間隙固溶體間隙固溶體之間有著之間有著

14、本質的區別本質的區別 間隙相間隙相是一種化合物，它具有與其組元是一種化合物，它具有與其組元完全不同的晶體結構；完全不同的晶體結構； 間隙固溶體間隙固溶體則仍保持著溶劑組元的晶格則仍保持著溶劑組元的晶格類型。類型。 在單元素組成的晶體中，由等徑剛球模型堆積所能得到的在單元素組成的晶體中，由等徑剛球模型堆積所能得到的最密集結構就是最密集結構就是面心立方面心立方和和密排六方密排六方結構，結構，致密度致密度0.74及及配位配位數數12已是最大值了，結構中存在著較大的已是最大值了，結構中存在著較大的八面體間隙八面體間隙和較小的和較小的四面體間隙。四面體間隙。 當組成合金的異類原子尺寸不同時，采用大、小兩

15、種剛球當組成合金的異類原子尺寸不同時，采用大、小兩種剛球的適當配合，可得到主要為四面體間隙而八面體間隙很少或沒的適當配合，可得到主要為四面體間隙而八面體間隙很少或沒有的復雜相結構，即按拓撲學的配合規律形成空間利用率很高有的復雜相結構，即按拓撲學的配合規律形成空間利用率很高和配位數超過和配位數超過12（如（如12、14、15、16等）的一類化合物，由于其等）的一類化合物，由于其結構具有拓撲學特點而被稱之為結構具有拓撲學特點而被稱之為拓撲密堆拓撲密堆(Topologically Close-Packed)相相，簡稱，簡稱TCP相相，以區別于通常的，以區別于通常的幾何密堆相幾何密堆相。 幾何密堆相幾

16、何密堆相的空間利用率和原子配位數比由純金屬原子構的空間利用率和原子配位數比由純金屬原子構成的面心立方和密排六方構的幾何密堆結構還要高。成的面心立方和密排六方構的幾何密堆結構還要高。 TCP相的類型很多，常見的有相的類型很多，常見的有拉弗斯拉弗斯(Laves)相相和和相相。 如前所述，對于某些合金，當其成分接近一定如前所述，對于某些合金，當其成分接近一定原子比時，較高溫度時為短程有序，緩冷到某一溫原子比時，較高溫度時為短程有序，緩冷到某一溫度以下，會轉變為完全有序狀態稱為度以下，會轉變為完全有序狀態稱為有序固溶體有序固溶體，這一轉變過程稱為固溶體的有序化。有序固溶體又這一轉變過程稱為固溶體的有序

17、化。有序固溶體又稱稱超結構超結構或或超點陣超點陣。 超結構的主要類型是形成于超結構的主要類型是形成于面心立方面心立方、體心立方體心立方或或密排六方密排六方三類結構的固溶體中。三類結構的固溶體中。有序化對合金性能的影響有序化對合金性能的影響 有序化使固溶體的有序化使固溶體的電阻率急劇降低電阻率急劇降低； 使合金的硬度增加，主要用于原子結合使合金的硬度增加，主要用于原子結合力增強、反相疇的存在等，都會增加塑性力增強、反相疇的存在等，都會增加塑性變形阻力，從而提高了合金的變形阻力，從而提高了合金的屈服強度和屈服強度和硬度硬度。 中間相的性能中間相的性能明顯不同于各組成元素的性明顯不同于各組成元素的性

18、能，一般是能，一般是硬而脆硬而脆。 工業上應用最廣泛的工業上應用最廣泛的結構材料結構材料和和工具材料工具材料，由于金屬化合物一般均具有由于金屬化合物一般均具有較高的熔點和硬度較高的熔點和硬度，當合金中出現金屬化合物相時，將使合金的當合金中出現金屬化合物相時，將使合金的強強度、硬度、耐磨性及耐熱性度、硬度、耐磨性及耐熱性提高（但提高（但塑性塑性韌韌性性有所降低）。有所降低）。 中間相還具有特殊的性能，如中間相還具有特殊的性能，如超導性超導性、形形狀記憶效應狀記憶效應等。例如能記住原始形狀的記憶合等。例如能記住原始形狀的記憶合金金NiTi和和CuZn；具有；具有半導體性能半導體性能的金屬化合物的金

19、屬化合物GaAs，其性能遠遠超過了目前廣泛應用的硅半，其性能遠遠超過了目前廣泛應用的硅半導體材料，目前正應用在發光二極管的制造上，導體材料，目前正應用在發光二極管的制造上，作為超高速電子計算機的器件已引起了世界的作為超高速電子計算機的器件已引起了世界的關注。關注。 具有低熱中子俘獲截面的具有低熱中子俘獲截面的核反應堆材料核反應堆材料Zr3Al，能作為新一代能源的，能作為新一代能源的儲氫材料儲氫材料LaNi5等等等。等。 陶瓷陶瓷的晶體結構大多屬的晶體結構大多屬離子晶體離子晶體。 陶瓷材料屬于陶瓷材料屬于無機非金屬材料無機非金屬材料，是由金屬與，是由金屬與非金屬元素通過離子鍵或兼有離子健和共價鍵

20、的非金屬元素通過離子鍵或兼有離子健和共價鍵的方式結合起來的。方式結合起來的。 典型的離子晶體是典型的離子晶體是A A族堿金屬與族堿金屬與AA族鹵族族鹵族元素之間形成的化合物。元素之間形成的化合物。 鮑林（鮑林（L. Pauling)L. Pauling)于于19281928年以簡單的幾何年以簡單的幾何原理為基礎，總結出了對離子化合物晶體結構分原理為基礎，總結出了對離子化合物晶體結構分析有指導作用的五條規則，即稱之為析有指導作用的五條規則，即稱之為鮑林規則鮑林規則。 iiiinZSZ 離子晶體按其化學組成分為二元化合離子晶體按其化學組成分為二元化合物和多元化合物。其中二元化合物中有紹物和多元化合物。其中二元化合物中有紹AB AB 型型，AB2 AB2 （A2BA2B）型和）型和A2B3A2B3型化合物。型化合物。 典型的典型的AB AB 型離子晶體型離子晶體NaClNaCl型型結構結構（B1B1） 元素周期表中元素周期表中族元素、許多無機非族元素、許多無機非金屬材料和聚合物都是共價鍵結合。金屬材料和聚