多元Au合金的固溶強化效果分析研究 金屬材料學(xué)專業(yè)

多元Au合金的固溶強化效果分析摘要:在人類發(fā)展的歷史長河中，材料的先進程度直接決定著社會的發(fā)展速度，材料科學(xué)的發(fā)展作為人類社會進步的基石，對人類的社會生產(chǎn)生活和發(fā)展有著重要的影響。材料作為當代工業(yè)文明發(fā)展的基礎(chǔ)，具有著不可替代的作用，應(yīng)用廣泛的金屬材料極大地促進了人類社會的進步。Au合金有著非常優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及生物兼容性，使得它在電器、電子、能源、首飾、牙科修復(fù)、工藝品等諸多的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。通過對多元Au合金的組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能等進行研究，分析多元Au合金的固溶強化效果，由此也可以探索提高Au合金力學(xué)性能的方法，對于Au基合金材料的應(yīng)用具有一定的意義。關(guān)鍵詞：多元Au合金；力學(xué)性能；固溶強化；ABSTRACTInthelonghistoryofhumandevelopment,theadvanceddegreeofmaterialsdirectlydeterminesthespeedofsocialdevelopment.Asthecornerstoneofhumansocialprogress,thedevelopmentofmaterialsciencehasanimportantimpactontheproductionanddevelopmentofhumansociety.Materials,asthebasisofthedevelopmentofcontemporaryindustrialcivilization,playanirreplaceablerole,andwidelyusedmetalmaterialshavegreatlypromotedtheprogressofhumansociety.Aualloyshaveexcellentchemicalstability,ductility,electricalconductivity,andsoon.Thermalconductivityandbiocompatibilitymakeitanimportantapplicationinelectricalappliances,electronics,energy,jewelry,dentalrestoration,handicraftsandmanyotherfields.ThroughtheThemicrostructureandmechanicalpropertiesofmulti-componentAualloyarestudied,andthesolutionstrengtheningeffectofmulti-elementAualloyisanalyzed.ThemethodtoimprovethemechanicalpropertiesofAualloycanalsobeexplored,whichhascertainsignificancefortheapplicationofAu-basedalloymaterial.Keywords:multi-componentAualloy;solidsolutionstrengthening;catalyticactivity目錄1緒論 41.1研究背景 41.2Au的基本性質(zhì)及合金化 41.2.1Au的基本性質(zhì) 41.2.2Au的合金化 52多元Au合金的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能 62.1材料的制備過程 72.2多元Au合金的結(jié)構(gòu)分析 82.3多元Au合金的顯微硬度分析 8 92.4本章小結(jié) 103多元Au合金的固溶強化效果分析 103.1固溶強化效果計算 103.2提高合金的力學(xué)性能的方法探討 114結(jié)論 12參考文獻 12致謝 121緒論1.1研究背景隨著社會的逐步發(fā)展，人類對材料性能的指標要求變得越來越高。目前為止，人們按照傳統(tǒng)的合金設(shè)計理念己經(jīng)開發(fā)出了較為龐大的合金體系。傳統(tǒng)的合金設(shè)計理念都是以一種或兩種金屬元素作為主要組元，通過添加少量其他的金屬或非金屬元素來獲得具有某些特定性能的材料以滿足其使用要求，其次還可通過改進材料的加工工藝使得材料滿足使用要求，使材料的綜合利用效率得到了全面提升。到目前為止，人類雖然己經(jīng)開發(fā)出了三十多種實用的合金體系，比如我們常用的鎂合金、鋁合金、欽合金等，但是這些合金的性能依然不能滿足人們的實際需求。傳統(tǒng)的合金設(shè)計理念認為，當組成合金的金屬元素種類越多時，合金中就會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的未知相或者金屬間化合物，導(dǎo)致合金的組織結(jié)構(gòu)很難分析，對力學(xué)性能及其它性能的影響較大。當今社會，黃金在工業(yè)和人們生活中應(yīng)用越來越廣泛，需求量逐年增加，市場前景非常廣闊。除了飾品用金、金合金釬焊料、電接觸材料用金、電子工業(yè)用金、牙科用金、醫(yī)藥用金、高科技產(chǎn)品用金等七個方面，Au與Au合金新材料的發(fā)展也從未停下腳步。經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出了許多可能滿足電氣工業(yè)需要的Au合金。鑒于Au性能的優(yōu)越性和其高價格之間的矛盾，它將繼續(xù)用在最尖端、最重要的電子電氣產(chǎn)品中。1.2Au的基本性質(zhì)及合金化1.2.1Au的基本性質(zhì)金在地殼中的含量為5×10-7%，元素符號為Au，原子序數(shù)為79，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，如圖1.1所示。作為一種過渡族金屬，Au位于元素周期表第6周期的IB族，屬于銅族元素，外層電子結(jié)構(gòu)為5d106s1，純金顏色為金黃色，其顏色會受到所含有的雜質(zhì)的種類、數(shù)量等影響而有所改變。Au原子之間有著較強的金屬鍵，使得其熱力學(xué)參數(shù)比較高。Au有著很好的可鍛性和延展性，1g純金可以被拉成超過3500m長的細絲，Au也可以被壓成厚度僅為0.0001mm的金箔，而且這種金箔是透明的，透過的光為綠光金的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性很好，僅次于銀和銅。從磁性能上來說，Au是抗磁性元素，磁導(dǎo)率為負值。圖1.1Au的晶格點陣Au與周期表元素反應(yīng)的一般傾向性：Au與元素周期表中其他元素的合金化行為與這些元素在周期表中的位置有關(guān)。通常而言，與Au位置最為相近的元素，如同族的Ag、Cu元素，以及鄰族的Ni、Pd、Pt等元素，會與Au形成連續(xù)固溶體；而那些在元素周期表中與Au距離較遠的元素，與Au形成固溶體的傾向性則大大減小，而形成化合物甚至分凝的傾向性則會增加。1.2.2Au的合金化純Au有著非常優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及生物兼容性，使得它在電器、電子、能源、首飾、牙科修復(fù)、工藝品等諸多的領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。但是純Au也有一些缺點，限制了它的使用性能，它比較軟、硬度低、易于磨損，而且冷變形后雖然可以產(chǎn)生一些加工硬化效果，但是硬度、強度依然很低。這就使其比較容易自然時效軟化，純Au制品在加工、使用過程中易于發(fā)生磨損、變形和彎折，甚至是會發(fā)生斷裂情況，這些都極大地限制了Au的應(yīng)用。因此人們常常會選用合金化的方法，改善Au制品的性能，得到各種各樣的Au合金來滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Au合金元素的選取需要綜合考慮許多因素，尤其是性能以及成本因素。加入的每一個因素都會對Au合金性能產(chǎn)生一定影響，以下是本文中添加的幾種Au合金元素的作用：Ag元素：Ag與Au有著相似的晶格常數(shù)和點陣結(jié)構(gòu)，因此在XRD等實驗測試中很難分別出Au和Ag。Au-Ag可以形成連續(xù)固溶體，有利于獲得好的冶金性能。Ag本身有著極好的延展性和韌性，有利于提高Au合金的機械加工性能和韌性。此外，加入Ag元素，對于Au合金而言，可以從一定程度上起到漂白作用，從而改變合金顏色，使得Au合金的顏色由金黃色變?yōu)榈S色，而如果想讓合金顏色變?yōu)榘咨?，則需要Ag的質(zhì)量百分數(shù)超過56%。Cu元素：價格相對便宜，是一種重要的Au合金強化元素。Au與Cu也可以形成連續(xù)固溶體，而且Cu的存在可以顯著影響Au合金的色彩，隨Cu含量的增加，合金的顏色會由金黃色變?yōu)槊倒寮t最后會變成紅色。Cu可以提高Au合金的機械強度、化學(xué)穩(wěn)定性以及可加工性，但是如果Cu含量過高的話，反而會使得Au合金的耐腐蝕性下降，同時，其脆性增加。另外一個Au-Cu合金極為重要的現(xiàn)象就是，隨著溫度變化會發(fā)生有序-無序轉(zhuǎn)變：有序相AuCuⅠ→有序相AuCuⅡ→無序固溶體AuCu。Ni元素：Au與Ni可以形成連續(xù)固溶體，一般Ni在Au合金中，可以起到硬化和漂泊作用，是一種比較廉價的漂白劑，同時具有延展性和磁性。此外如果是應(yīng)用于收拾上的Au合金，Ni的元素的加入是需要控制加入量的。因為有些人的皮膚會對Ni過敏，因此對于首飾用Au合金需要嚴格控制Ni含量。Zn元素：Au與Zn不能夠無限互溶，Zn在Au中最大的固溶度為33.5%。它也可以起到調(diào)節(jié)Au合金顏色的作用，與此同時，可以改善合金的鑄造性能，有利于獲得表面比較光亮的合金。但是，如果Zn含量過高，則又會影響合金的塑形、韌性，導(dǎo)致出現(xiàn)一些缺陷。因此，在進行Au合金的合金元素的選擇和搭配時，要綜合考慮多個方面，根據(jù)希望獲得的材料性能去選擇合金元素。同時，應(yīng)當選用合適的熔煉方式、加工工藝。而Au的合金化行為受到很多因素的影響，比如Au與合金元素之間在電負性、原子價、原子尺寸以及晶體結(jié)構(gòu)上的差別。而且Au與合金元素之間的合金化行為與它們在周期表上的位置是十分相關(guān)的，與Au緊鄰的一些元素容易和Au形成一些連續(xù)固溶體，而距離Au比較遠的一些元素和Au形成固溶體的傾向就會比較小。我們知道Ag、Cu的電負性和Au比較相近而且是有著類似晶體結(jié)構(gòu)的同族元素，Au和它們可以形成連續(xù)固溶體。圖1.2所示為Au-Ag系合金相圖，可以看出Au與Ag在所有成分范圍內(nèi)均可形成連續(xù)固溶體。Au也可以和Ni、Pt、Pd等UⅢB族的元素?zé)o限互溶，形成連續(xù)固溶體。VA-VⅢA族非金屬元素除了Te之外都可以與Au發(fā)生偏晶反應(yīng)，此外IA族的H也可以與Au發(fā)生偏晶反應(yīng)。這些能夠和Au發(fā)生偏晶反應(yīng)的元素在Au中的極限溶解度很低，甚至根本就不溶。Au還會與一些元素發(fā)生共晶反應(yīng)，這些元素主要包括IA族(除H外)、ⅡA族、Ⅳ族(除Pb外)、ⅢB族以及ⅥB族、ⅥB族Mo,ⅧB族Co,ⅢA族B和Tl,ⅤA族Sb以及ⅥA族Te和Po。這些能夠和Au發(fā)生共晶反應(yīng)的元素在Au中也有著很低的固溶度，乃至不溶。另外Au還會與一些元素發(fā)生包晶反應(yīng)，比如ⅢA族(除B和T1外)、ⅡB族(除Zn外),NB-ⅥB族(除Mo外)、ⅧB族的Fe,Os,Rh,Ir和Pb,NA族的Pb以及ⅤA族的Bi元素。而這些可以和Au發(fā)生包晶反應(yīng)的元素在Au中的極限固溶度相對高一點，但是也有部分元素(比如Ru,W,Os,Rh,Ir,Bi以及Pb等)的極限固溶度比較小或者根本不溶。圖1.2Au-Ag相圖1.3Au合金的應(yīng)用Au合金在人們?nèi)粘Ｉ钪杏兄浅V泛的應(yīng)用，隨著其需求量逐步增加，Au合金的市場前景十分廣闊。首先，由于人類歷史上黃金充當貨幣的職能，Au它可以作為國際儲備，這是由其商品屬性決定的。其次，Au可以用來制作珠寶首飾，亮眼奪目的黃金一直是備受喜愛的裝飾物品。第三，Au作為金屬材料，有著獨特而優(yōu)異的特性，這些特性，使其在材料科學(xué)領(lǐng)域飽受關(guān)注，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)良性能主要有以下幾點：熱力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定；耐腐蝕性和抗變色能力較好；非常好的加工性能；具有非常好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能對紅外線的反射能力很高；易于鍍到其他金屬或者陶瓷表面上；可以支撐超導(dǎo)體和有機金等等。正是因為Au具有如此多良好的性能，在當代社會很多高科技產(chǎn)業(yè)中，比如能源、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、航空航天、醫(yī)療化工等很多領(lǐng)域中，都有著廣泛應(yīng)用。而金及其合金，在日常生活中，主要有七個方面的應(yīng)用，分別為：飾品用金、金合金釬焊料、電接觸材料用金、電子工業(yè)用金、醫(yī)藥用金和高科技產(chǎn)品用金。1.3.1飾品用金眾所周知，Au承載了價值，除去其本身的金融價值外，其美麗的外觀、良好的抗腐蝕和抗晦暗性能也讓Au成了人們首選的飾品制造材料?，F(xiàn)實生活中，我們經(jīng)?？梢砸姷揭恍S金制造的工藝品以及生活用品，而世界范圍內(nèi)，也不乏古代、現(xiàn)代的除Au或Au合金的工藝制品。在制造飾品的過程中，為了增加飾品的光澤感，飾品多通過改變Au的合金配比獲得不同的金合金，從而使色澤更加靚麗的同時也增加了硬度。Au基飾品材料，根據(jù)顏色不同進行劃分，可以分為彩色K金和白色K金，而K金，指的就是在純Au中加入一些合金元素后得到的有著豐富的色彩和不同性能的Au合金工藝品。目前，Au飾品追求的主要發(fā)展目標是高強度、高硬度、色彩多樣，加工過程中，為了實現(xiàn)這一目標，高強度一般是通過固溶強化、沉淀強化、有序化強化等多種強化機制來獲得的，而多樣的色彩，則是通過調(diào)節(jié)不同合金元素配比實現(xiàn)的。1.3.2金合金釬焊料由于金合金釬焊料優(yōu)良的釬焊工藝性能和釬焊接頭性能，其很難被非金屬所取代，而航空航天和電子工業(yè)的一些重要部件僅可用貴金屬釬焊，而金合金釬焊料更是十分重要，按組成元素主要可以分為Au-Ni、Au-Cu、Au-Ag-Cu、Au-Ag-Cu-Zn、Au-Pd、Au-Pd-Cu、Au-Pd-Ni等系列。1.3.3電接觸材料用金在所有電接觸材料中，金及其合金是很好的選擇，其優(yōu)良的特性在輕負荷、小電流條件下顯現(xiàn)得更為明顯。主要有兩類電接觸材料選用了Au合金材料，分別是：斷開接觸材料和滑動接觸材料。1.3.4電子工業(yè)用金Au基材料是電子工業(yè)，具體而言，是電子與半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，主要用電子封裝用鍵合絲、薄膜材料和焊合材料等?？紤]到鍵合金絲應(yīng)當具備高強度和高純度，因此傳統(tǒng)鍵合金絲主要是微合金化的高純金絲，目前，時效強化型Au-1Ti型合金已成功用作鍵合絲。另外，具有高強度和高導(dǎo)電率的以納米Ag或Pt纖維增強的Au/Ag或Au/Pt復(fù)合材料也在被開發(fā)用作鍵合絲。1.3.5牙科用金隨著社會的進步以及人們生活水平的提高，對于牙科修復(fù)材料的質(zhì)量和性能的要求也在逐步提高。Au，得益于其穩(wěn)定的熱力學(xué)性質(zhì)、良好的力學(xué)性能、優(yōu)越的生物兼容性以及明亮的色澤，在牙科修復(fù)材料中得到了廣泛應(yīng)用。牙科材料發(fā)展有高Au和低Au兩個方向，前者傾向于增加Pt的量而減少Pd；而后者則傾向于增加Pd。在實際應(yīng)用中，出于節(jié)省成本考慮，多采用低Au牙科合金。1.3.6醫(yī)藥用金Au在醫(yī)藥中的應(yīng)用主要有以下三個大類：抗關(guān)節(jié)炎類藥、抗癌化合物和放射性金。其中，抗關(guān)節(jié)炎類藥又可分為：腸道抗關(guān)節(jié)炎金藥物、非腸道抗關(guān)節(jié)炎金藥物和口服金藥物。1.3.7高科技用金在高科技產(chǎn)品中，Au常作為主要運用的材料，目前應(yīng)用了Au的高科技產(chǎn)品有：片狀金粉、夜視儀用金膏以及功能材料，例如以金為基的形狀記憶合金Au-Cu-Zn-Al等。2多元Au合金的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能2.1四種Au合金的成分設(shè)計我們選擇制備的四種不同成分的多元Au合金Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)，它們的多元Au合金Au、Ni、Zn元素的含量是變化的，隨著x的增加，Au的質(zhì)量分數(shù)基本保持在75%，Cu元素含量保持相對穩(wěn)定，Ag元素含量減少，Ni、Zn元素含量增加。我們將這四種合金分別記為x=0、x=6、x=12和x=17合金。2.2四種Au合金的熔煉制備我們的研究對象為多元Au合金Au52Cu27Ag17-x(NiZn0.5)x(x=0,6,12,17)。從含Au量上看其實4種成分的Au合金均為18K金。我們通過改變補口合金(除Au以外的合金元素)的成分，制備出了4種具有不同成分的18K金合金樣品。在這4種合金中Ag、Ni以及Zn元素的含量是變化的，而Au、Cu的含量相對保持不變。樣品的具體制備過程是;首先利用氧氣乙炔火槍將放在坩堝中的純Au(wt.99.99%)以及補口合金CuAg,CuZnNi熔化。然后將均勻的熔體澆注進鑄鐵模當中，在空氣中冷卻成鑄錠之后取出，將鑄錠利用壓片機壓成0.5mm厚的薄片，并剪成長條狀。2.3實驗樣品的材料表征分析2.3.1材料表征概述材料表征技術(shù)是關(guān)于材料的化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織、微觀形貌、晶體缺陷與材料性能等的表征方法、測試技術(shù)以及相關(guān)理論基礎(chǔ)的實驗科學(xué)，是現(xiàn)代材料科學(xué)研究以及材料應(yīng)用的重要手段和方法。2.3.2XRD技術(shù)的簡介XRD即X-RayDiffraction（X射線衍射）的縮寫。通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。2.3.3X射線衍射分析X射線衍射分析是一種極其重要的物相分析方法，當一束X射線照射到樣品表面時，會發(fā)生衍射，不同材料呈現(xiàn)出不同的衍射圖譜，根據(jù)衍射峰角度和強度等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對合金相組成以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行定性或者定量分析。其中，峰的面積表示晶體含量，面積越大，晶相含量越高。峰窄說明晶粒大，可以用謝樂公式算晶粒尺寸。如果是峰高相對背地高，表示晶相含量高，跟面積表示晶相含量一致。我們對制備出的x=0、x=6、x=12、x=17的四種Au合金進行XRD測試，圖2.1即為所得XRD圖譜。圖2.1 四種Au合金的XRD圖譜通過XRD圖譜可以看出來，四種合金的XRD衍射峰分別對應(yīng)于Au的（111）、（200）、（220）、（311）以及（222）這些晶面。隨著x的增加，峰位有向右移動的趨勢，這是由于合金元素的增加，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)越來越偏離純Au的緣故。而那些沒有出現(xiàn)的合金元素，比如Ni、Cu、Zn的衍射峰，說明它們都固溶在Au原子晶格之中而形成了固溶體。由以上討論，我們可以認為這四種Au合金的結(jié)構(gòu)都是Au基固溶體結(jié)構(gòu)。2.4多元Au合金的力學(xué)性能分析2.4.1力學(xué)性能材料的力學(xué)性能指的是材料在不同材料下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變、應(yīng)力）時表現(xiàn)出的力學(xué)特征。脆性：脆性是指材料在損壞之前沒有發(fā)生塑性變形的一種特性。它與韌性和塑性相反，脆性材料沒有屈服點，有斷裂強度和極限強度。強度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。常見的強度形式有：抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度、抗剪強度等。一般以抗拉強度作為判別金屬強度的指標。硬度:金屬材料局部體積內(nèi)抵抗彈性、塑性變形、壓痕、劃痕的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標，其物理含義與試驗方法有關(guān)。而常用的硬度測試方法主要有三種，分別為：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。韌性:金屬材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力。韌性是指金屬材料在拉應(yīng)力的作用下，在發(fā)生斷裂前有一定塑性變形的特性。疲勞強度：材料零件和結(jié)構(gòu)零件對疲勞破壞的抗力。彈性：彈性是指金屬材料在外力消失時，能使材料恢復(fù)原先尺寸的一種特性。延展性：延展性是指材料在拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力作用下，材料斷裂前承受一定塑性變形的特性。剛性：剛性是金屬材料承受較高應(yīng)力而沒有發(fā)生很大應(yīng)變的特性。屈服點或屈服應(yīng)力：屈服點或屈服應(yīng)力是金屬的應(yīng)力水平。在屈服點以上，當外來載荷撤除后，金屬的變形依然存在，金屬材料發(fā)生了塑性變形。2.4.2顯微硬度及其測試方法顯微硬度：顯微硬度是一種壓入硬度，反映被測物體對抗另一硬物體壓入的能力，測量的儀器是顯微硬度計，它實際上是一臺沒有加符合裝置帶有目鏡探測器的顯微鏡。測定之前，先要將待測磨料制成反光磨片試樣，置于顯微硬度計的載物臺上，通過加負荷裝置對四棱錐型的金剛石壓頭加壓。負荷的大小可以根據(jù)待測材料的硬度不同而增減。金剛石壓頭壓入試樣之后，在試樣表明會產(chǎn)生一個凹坑。把顯微鏡十字絲對準凹坑，用目鏡測微器測量凹坑對角線的長度，根據(jù)所加負荷以及凹坑對角線的長度就可以計算出所測物質(zhì)的顯微硬度值。顯微硬度的測試原理：硬度的測試是材料在力學(xué)性能研究中最簡便、最常用的一種方法。顯微硬度是金相分析中最常用的測試手段之一。顯微硬度的測試是將具有一定幾何形狀的金剛石壓頭，以較小載荷壓入試驗材料表面，然后對一條或兩條壓痕對角線進行光學(xué)測量。由于留在試樣上的壓痕尺度極小，因此必須在顯微鏡下測量。樣品的硬度利用HVT1000A型數(shù)顯顯微硬度計以及美國MTS公司生產(chǎn)的XP型納米壓痕儀進行測試。顯微硬度是利用一個很小的兩對面夾角為136o、底面正方形的正四棱錐金剛石壓頭，在樣品表面壓出一個很淺的凹坑。如圖2.1所示，根據(jù)所壓出凹坑的面積與實驗所施加的壓力的關(guān)系，在顯微硬度計所連接的電腦屏幕上可以讀出相應(yīng)的硬度值。本實驗測得的為維氏硬度，每個樣品隨機測試9個點，將所測得的數(shù)據(jù)求平均值作為該樣品的顯微硬度值。圖2.1HVT-1000A型數(shù)顯顯微硬度計納米壓痕儀使用的是三棱錐的玻氏壓針，棱面與中心線夾角65.30，棱邊與中心線夾角65.3°，底面邊長與深度之比7.5315。如圖2.2為納米壓痕儀的樣品室，測試方法選用的是CSM(連續(xù)剛度)法，這種方法是在加載的過程當中連續(xù)地計算接觸剛度，因而硬度和模量隨壓入深度的變化就可以根據(jù)動查剛度的測量得到，可獲得施加的載荷隨壓入深度的變化曲線以及硬度、模量隨壓入深度連續(xù)變化的曲線。實驗中每個樣品隨機打8個點，壓入深度500nm，泊松比為0.25。圖2.2MTSXP型納米壓痕儀樣品室2.4.3顯微硬度測試結(jié)果分析合金化可以彌補Au硬度不足的缺陷,在加入的補口合金成分里,Cu的含量基本不變,在補口合金里改變的主要是Ag、Ni、Zn元素的含量，為了研究補口合金成分對合金硬度的影響，我們對合金進行了顯微硬度實驗來分析它們的硬度變化。下圖給出了利用顯微硬度計測得的合金樣品的顯微硬度值，所用載荷為0.05kg。壓載時間為30s。顯而易見，x=0的合金顯微硬度最低，x=17的合金顯微硬度最高，因此，隨著x的增加，合金的顯微硬度提高。通過顯微硬度測試結(jié)果可知，Au合金的硬度隨著x的增加而變大，即Ni、Zn加入量的增加提高了Au合金的強度，同時Ag含量的減少對于Au合金的硬度變化影響很小。2.5多元Au合金的納米壓痕實驗2.5.1納米壓痕技術(shù)及其實驗原理納米壓痕技術(shù)，也稱深度敏感壓痕技術(shù)，是最簡單的測試材料力學(xué)性能的方法之一。傳統(tǒng)的硬度測試是將一特定形狀的壓頭用一個垂直的壓力壓入試樣，根據(jù)卸載后的壓痕照片獲得材料表面留下的壓痕半徑或?qū)蔷€長度計算出壓痕面積。根據(jù)現(xiàn)代微電子材料科學(xué)的發(fā)展，試樣規(guī)格越來越小型化，傳統(tǒng)的壓痕測量方法逐漸暴露出它的局限性。一是這種方法僅僅能夠得到材料的塑形性質(zhì)，另外這種測量方法只適用于較大尺寸的試樣。新興納米壓痕技術(shù)的產(chǎn)生很好解決了傳統(tǒng)測量的缺陷。納米壓痕技術(shù)也稱為深度敏感壓痕技術(shù)，它通過計算機程序控制載荷發(fā)生持續(xù)變化，實時測量壓痕深度。實驗原理與方法：納米壓痕技術(shù)，通過計算機控制載荷持續(xù)變化，并在線監(jiān)測壓入深度。一個完整的壓痕深度包括兩部分，即所謂的加載過程和卸載過程。在加載過程中，給壓頭施加外載荷，使之壓入樣品表面，隨著載荷的增大，壓頭壓入樣品的深度也隨之增加，當載荷達到最大值時，移除外載，樣品表面就會存在殘留的壓痕痕跡。2.5.2納米壓痕實驗測試結(jié)果分析納米壓痕實驗可以研究隨著壓入深度的增加，樣品的硬度以及彈性模量的變化情況。圖2.4給出的是載荷-位移曲線，主要包括三個過程：加載過程、保載過程以及卸載過程。如圖所示，加載過程中，隨著在河的增加，合金樣品被壓針壓入的深度呈現(xiàn)出非線性增加的趨勢。保載過程指的是，在一段時間內(nèi)保持壓針的載荷不變，此時達到施加的最大載荷Pmax，而壓入深度仍會繼續(xù)增加，曲線上就會出現(xiàn)一個平臺階段，即圖2.5所示。直到達到最大壓入深度hmax。卸載過程中由于卸掉載荷，樣品變形得到了一定程度上的恢復(fù)，壓入深度會有一定的降低，但是樣品表面會留下一個深度為hr的壓坑。從圖中還可以看出，壓入深度相同的情況下，載荷的大小關(guān)系為x=0<x=6<x=12<x=17。而載荷的大小也就意味著壓入的難易程度，通過這種方式，也可以反映出四種Au合金的硬度大小關(guān)系。3多元Au合金的固溶強化效果分析3.1Au的強化機理根據(jù)金屬點陣中阻礙位錯運動的障礙物類別，一般而言，Au的強化機制包括晶粒細化強化、相變強化、析出強化、位錯強化和固溶強化等。對于某一Au而言，既有可能是單一的強化機制，也可能是多種強化機制的復(fù)合。而固溶強化，是指純金屬經(jīng)過適當?shù)暮辖鸹螅瑥姸?、硬度提高的現(xiàn)象。其原因可歸結(jié)于溶質(zhì)原子和位錯的交互作用，這些作用起源于溶質(zhì)引發(fā)的局部點陣畸變。固溶體可分為無序固溶體和有序固溶體，其強化機理也不相同。固溶強化機理：一是溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，對滑移面上運動的位錯有阻礙作用；二是位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子形成的柯氏氣團對位錯釘孔作用，增加了位錯運動的阻力；三是溶質(zhì)原子在層錯區(qū)的偏聚阻礙擴展位錯的運動。所有阻止位錯運動，增加位錯移動阻力的因素都可使強度提高。合金元素固溶于基體金屬中造成一定程度的晶格畸變從而使合金強度提高的現(xiàn)象。融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融入某種元素溶質(zhì)來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。影響固溶強化效果的因素主要有以下幾點：（1）溶質(zhì)原子的原子分數(shù)越高，強化作用也越大，特別是當原子分數(shù)很低時，強化作用更為顯著。（2）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限。（4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶體的屈服強度隨著價電子濃度的增加而提高。3.2多元Au合金的固溶強化效果分析由于Au與主要的合金元素Au、Ag、Ni能夠無限互溶，形成連續(xù)固溶體，因此在Au合金的的強化機制中最要的是固溶強化。所謂的固溶強化指的是合金元素固溶于基體金屬的晶格之中，形成晶格畸變，這種畸變可以阻礙位錯運動，會導(dǎo)致滑移難以進行，從而可以起到提高合金強度和硬度的功效。而影響到合金固溶強化效果的主要有兩方面因素：一個是，合金原子與Au原子的質(zhì)量之差，另外一個就是，合金原子與Au原子的半徑之差。通常而言，這兩個差別越大，合金的固溶強化效果就越好。而Au合金固溶強化的效果可以用以下公式來表示：Hs=A?B（2-1）由公式2-1計算可得Cu、Ag、Ni、Zn四種元素對于Au的固溶強化參數(shù)的大小如下:Cu:Hs=3.10*0.011=0.352Ag：Hs=1.83*0.002=0.004Ni：Hs=3.36*0.139=0.467Zn：Hs=3.01*0.069=0.208根據(jù)前文的XRD結(jié)果可知，四種Au合金都是基固溶結(jié)構(gòu)，因此Ag、Cu、Ni、Zn對于Au合金的強化方式主要是固溶強化，根據(jù)公式（2-1）可知，Cu對于Au的固溶強化參數(shù)Hs為0.352，Ag對Au的固溶強化參數(shù)Hs為0.004，Ni對Au的固溶強化參數(shù)Hs為0.467，Zn對Au的固溶強化參數(shù)Hs為0.208。相比于Ag，Cu在溶劑Au的晶格中的固溶可以造成更大的晶格畸變，增大了位錯運動的阻力，使得滑移運動更難進行，從而有著更好的強化作用。3.3提高Au的強度的其他方法探討3.3.1位錯強化位錯強化是金屬材料中有效的強化方式之一。自從位錯理論提出之后，人們就對位錯強化的作用進行了大量研究，在該領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展。金屬中位錯密度高，則位錯運動時易于發(fā)生相互交割，形成割階，引起位錯纏結(jié)，因此造成位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高了鋼的強度。所謂位錯，是晶體中的一條管狀區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)原子的排列很不規(guī)則，也就是說形成了缺陷。由于這個管道的直徑很?。ㄖ挥袔讉€原子間距），可以將它看成是一條線，所以位錯是一種線性缺陷。塑性變形時，位錯的運動是比較復(fù)雜的，位錯之間相互反應(yīng)，位錯受到阻礙不斷塞積，材料中的溶質(zhì)原子、第二相等都會阻礙位錯運動，從而使材料出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。晶體中位錯分布較均勻時，流變應(yīng)力和位錯密度間存在如下Bailey—Hirsch關(guān)系式：式中τ0—沒有加工時的切應(yīng)力；α—常數(shù)，其數(shù)值為1/2；μ—剪切模量；b—伯式矢量；ρ—位錯的平均密度；表示位錯密度引起的切（流）變應(yīng)力越大，位錯密度越大，金屬抵抗塑性變形的能力就越大。位錯強化本身對金屬材料強度有很高的貢獻。同時，位錯的運動也是造成固溶強化、晶界強化和第二相強化及彌散強化的主要原因。

3.3.2細晶強化細晶強化，是指通過晶粒粒度的細化來提高金屬的強度，多晶體金屬的晶粒邊界通常是大角度晶界，相鄰的不同取向的晶粒受力產(chǎn)生塑性變形時，部分施密特因子大的晶粒內(nèi)位錯源先開動，并沿一定晶面產(chǎn)生滑移和增殖?；浦辆Ы缜暗奈诲e被晶界阻擋。這樣一個晶粒的塑性變形就無法直接傳播到相鄰的晶粒中去，且造成塑變晶粒內(nèi)位錯塞積。在外力作用下，晶界上的位錯塞積產(chǎn)生一個應(yīng)力場，可以作為激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源開動的驅(qū)動力。

通過細化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法，工業(yè)上將通過細化晶粒以提高材料強度。晶界越多，晶粒越細，根據(jù)霍爾-配奇關(guān)系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服強度就越高。細晶強化的方法主要有以下幾條：1.增加過冷度；2.變質(zhì)處理；3.振動與攪拌；4.對于冷變形的金屬可以通過控制變形度，退火溫度來細化晶粒3.3.3析出強化析出強化是指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。如奧氏體沉淀不銹鋼在固溶處理后或經(jīng)冷加工后，在400～500℃或700～800℃進行沉淀硬化處理，可獲得很高的強度。即某些合金的過飽和固溶體在室溫下放置或者將它加熱到一定溫度，溶質(zhì)原子會在固溶點陣的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相，從而導(dǎo)致合金的硬度升高的現(xiàn)象。析出強化的機理：析出強化是因為金屬材料中第二相粒子從過飽和固溶體里析出而引起應(yīng)變，從而引起金屬點陣的強化。造成最大強化是在形成可見的第二項粒子之前，這個階段也成為析出的孕育階段。在這個階段，要析出形成第二項的原子，有成群堆積的趨勢。它們與母相保持連續(xù)的共格聯(lián)系，就在這個時候發(fā)生了最大的應(yīng)變，因而產(chǎn)生了最大的強化。3.3.4加工硬化隨著冷變形程度的增加，金屬材料強度和硬度指標都有所提高，但塑形、韌性有所下降。加工硬化，又稱冷作硬化，指的是金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑形和韌性降低的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因是，金屬在塑形變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破壞和纖維化