[发明专利]一种具有在高温条件下保持稳定的晶体空间结构的金属材料

说明书

本发明公开了一种具有在高温条件下保持稳定的晶体空间结构的金属材料，属于材料技术领域。该金属材料的晶体空间结构由多个晶粒组成，晶粒间界面具有最小面特征，晶界面积和平均曲率均具有最小化特征。所述金属材料在高温和高应力下保持稳定，可用于高温下各种超常规性能的获得。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种具有在高温条件下保持稳定的晶体空间结构的金属材料。

背景技术

目前为止，在金属材料中人们发现的主要结构状态有以下两种：晶体和非晶。非晶是一种原子排列呈近程有序、长程无序的结构状态，其不存在长程周期性点阵结构，有序点阵结构只在很小的范围内(通常为1-3纳米)存在，是一种热力学亚稳态结构，处于较高的能量状态，其结构稳定性较差，在一定温度条件下其结构会发生明显晶化；且只有在特定的材料体系中才能实际获得。晶体是一种原子在空间呈周期性排列，高度有序的结构状态，主要可分为单晶体和多晶体；单晶是一种极限状态，其周期性点阵结构一直延续到样品边缘不发生破坏，单晶在热力学上较为稳定的，但是其具有很强的各向异性；此外，其在受力变形的条件下，在材料内部往往会产生界面，使得单晶结构发生破坏，结构状态演化为多晶态。因此，非晶和单晶这两种极限金属结构状态在实际应用上受到较大限制，日常所用的大量金属材料，主要是多晶体。

多晶体可以认为介于单晶和非晶之间，它由多个晶粒组成；在一个晶粒内部，其点阵结构是完整的、周期排列的，而晶粒与晶粒之间的界面(即晶界)是一种晶体缺陷，多数是无序的，具有较高的能量。当多晶体中晶粒尺寸较大时，其晶界密度较低，其热力学稳定性较好，但是强度较低。为了获得优异的力学性能，人们往往希望金属材料具有高的强度。对于多晶体金属材料而言，一般其晶粒尺寸越小，材料强度越高，纳米晶金属材料(晶粒尺寸小于100nm)强度往往可达到微米晶金属材料的3-10倍；其原理是利用大量存在的晶界来限制或钉扎晶体中的位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系(σ＝σ₀+k*d^-1/2)来描述。但是，随着晶粒尺寸减小，由于晶界这样高能量区域的增多，多晶体的热稳定性变差。典型多晶体的纯金属在材料熔点的0.3-0.4倍温度下保温一定时间即发生晶粒长大，微观结构失稳；多晶体的合金也通常在材料熔点的0.6倍左右温度下保温一定时间即发生长大。并且，随着晶粒尺寸的减小，晶粒长大温度还会进一步下降，一些纳米结构金属在室温下即发生长大。这种结构不稳定限制了多晶体金属(特别是纳米晶体金属)在高温下的应用。