《金屬快速凝固與非晶材料》第五章

1、第五章第五章 非晶合金材料非晶合金材料本章主要內(nèi)容5.1 5.1 非非晶晶材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征5.2 5.2 非非晶合金的開(kāi)發(fā)歷程晶合金的開(kāi)發(fā)歷程5.3 5.3 非晶合金的制備非晶合金的制備5.4 5.4 非非晶晶材料材料的的力學(xué)行為力學(xué)行為5.5 5.5 非非晶合金晶合金的的物理性能物理性能5.6 5.6 非晶合金的腐蝕性能非晶合金的腐蝕性能5.7 5.7 非非晶基復(fù)合材料晶基復(fù)合材料5.8 5.8 非晶合金的應(yīng)用非晶合金的應(yīng)用討論課選題：非晶合金在高性能結(jié)構(gòu)材料、微型精密器件、耐蝕材料、催化材料、生物醫(yī)用材料、復(fù)合材料、磁性材料、國(guó)防軍工材料等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望。 高

2、性能結(jié)構(gòu)材料 帥林飛（7人） 微型精密器件 李京澤（4人） 耐蝕材料 蒙萬(wàn)秋（8人） 催化材料 張芝民（5人）王欽，張同博王欽，張同博 生物醫(yī)用材料 孔祥瞳（7人） 復(fù)合材料 周飛飛（7人） 磁性材料 高俊杰（7人） 國(guó)防軍工材料 劉 丹（7人）4 自然界中各種物質(zhì)按不同物理狀態(tài)可分為自然界中各種物質(zhì)按不同物理狀態(tài)可分為有序結(jié)構(gòu)有序結(jié)構(gòu)和和無(wú)序結(jié)構(gòu)無(wú)序結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 晶體為典型有序結(jié)構(gòu)，氣體、液體以及非晶態(tài)固體晶體為典型有序結(jié)構(gòu)，氣體、液體以及非晶態(tài)固體都屬于無(wú)序結(jié)構(gòu)。都屬于無(wú)序結(jié)構(gòu)。 人們最先認(rèn)識(shí)的非晶固體是玻璃等非金屬物質(zhì)，所人們最先認(rèn)識(shí)的非晶固體是玻璃等非金屬物質(zhì)，所以以玻璃在一定

3、程度上成為非晶材料的代名詞玻璃在一定程度上成為非晶材料的代名詞。石英石英玻璃玻璃晶態(tài)晶態(tài)與非晶態(tài)與非晶態(tài) 晶體是指原子呈長(zhǎng)程有序排列的固體。非晶態(tài)是指原晶體是指原子呈長(zhǎng)程有序排列的固體。非晶態(tài)是指原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱(chēng)子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的狀態(tài)。具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金稱(chēng)為為非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金(或稱(chēng)金屬玻璃或稱(chēng)金屬玻璃)。 通常認(rèn)為，傳統(tǒng)的金屬材料都是以晶態(tài)形式出現(xiàn)的。通常認(rèn)為，傳統(tǒng)的金屬材料都是以晶態(tài)形式出現(xiàn)的。Metallic Glass Powder 6 1970年，杜韋茲創(chuàng)立年，杜韋茲創(chuàng)立快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)，從，從Au-Si合金熔合金熔體中制備了非晶合金，非晶

4、概念才開(kāi)始與固態(tài)金屬體中制備了非晶合金，非晶概念才開(kāi)始與固態(tài)金屬與合金聯(lián)系在一起，與合金聯(lián)系在一起，常用金屬玻璃常用金屬玻璃(metallic glass)來(lái)來(lái)表示非晶合金表示非晶合金。 隨著更多非晶合金的發(fā)現(xiàn)以及它們所具有的各種獨(dú)隨著更多非晶合金的發(fā)現(xiàn)以及它們所具有的各種獨(dú)特性能的揭示，特性能的揭示，非晶已不僅作為合金在快速凝固中非晶已不僅作為合金在快速凝固中出現(xiàn)的一種亞穩(wěn)相，還成為一類(lèi)重要的功能材料出現(xiàn)的一種亞穩(wěn)相，還成為一類(lèi)重要的功能材料。非晶合金帶材非晶合金帶材非非晶材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)晶材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征特征 非晶體與晶體都是由氣態(tài)、液態(tài)凝結(jié)而成的固體，非晶體與晶體都是由氣態(tài)、液態(tài)凝結(jié)而成

5、的固體，由于冷卻速率不同，造成結(jié)構(gòu)的迥然不同由于冷卻速率不同，造成結(jié)構(gòu)的迥然不同。 晶體是典型的有序結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)則地排列在晶體晶體是典型的有序結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)則地排列在晶體點(diǎn)陣上形成對(duì)稱(chēng)性；非晶態(tài)與氣態(tài)、液態(tài)在結(jié)構(gòu)上點(diǎn)陣上形成對(duì)稱(chēng)性；非晶態(tài)與氣態(tài)、液態(tài)在結(jié)構(gòu)上同屬同屬無(wú)序結(jié)構(gòu)無(wú)序結(jié)構(gòu)，它是通過(guò)足夠快的冷卻發(fā)生液體的，它是通過(guò)足夠快的冷卻發(fā)生液體的連續(xù)轉(zhuǎn)變，凍結(jié)成非晶態(tài)固體。連續(xù)轉(zhuǎn)變，凍結(jié)成非晶態(tài)固體。晶體晶體非晶體非晶體氣體氣體晶體、非晶體、氣體原子排列示意圖晶體、非晶體、氣體原子排列示意圖 非晶固體的原子類(lèi)似液體原子的排列狀態(tài)，但它與非晶固體的原子類(lèi)似液體原子的排列狀態(tài)，但它與液體又有不同：

6、液體又有不同：液體分子很易滑動(dòng)，粘滯系數(shù)很小液體分子很易滑動(dòng)，粘滯系數(shù)很?。环蔷Ч腆w分非晶固體分子是不能滑動(dòng)的，粘滯系數(shù)約為液體的子是不能滑動(dòng)的，粘滯系數(shù)約為液體的1014倍，倍，它具有很大的剛性與固定形狀。它具有很大的剛性與固定形狀。液體原子隨機(jī)排列，除局部結(jié)構(gòu)起伏外，幾乎是液體原子隨機(jī)排列，除局部結(jié)構(gòu)起伏外，幾乎是完全無(wú)序混亂；非晶排列無(wú)序并不是完全混亂，完全無(wú)序混亂；非晶排列無(wú)序并不是完全混亂，而是而是破壞了長(zhǎng)程有序的周期性和平移對(duì)稱(chēng)性，形破壞了長(zhǎng)程有序的周期性和平移對(duì)稱(chēng)性，形成一種有缺陷的、不完整的有序，即最近鄰或局成一種有缺陷的、不完整的有序，即最近鄰或局域短程有序域短程有序（在小于

7、幾個(gè)原子間距的區(qū)間內(nèi)保持（在小于幾個(gè)原子間距的區(qū)間內(nèi)保持著位形和組分的某些有序特征）。著位形和組分的某些有序特征）。 非晶材料在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上具有以下基本特征：非晶材料在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上具有以下基本特征：存在小區(qū)間的短程有序存在小區(qū)間的短程有序，在近鄰或次近鄰原子的，在近鄰或次近鄰原子的鍵合具有一定規(guī)律性，但鍵合具有一定規(guī)律性，但沒(méi)有任何長(zhǎng)程有序沒(méi)有任何長(zhǎng)程有序。溫度升高，非晶材料會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因溫度升高，非晶材料會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此它是一類(lèi)此它是一類(lèi)亞穩(wěn)態(tài)材料亞穩(wěn)態(tài)材料，但亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到自由能，但亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到自由能最低的穩(wěn)態(tài)須克服一定的能量勢(shì)壘，因此最低的穩(wěn)態(tài)須克服一定的能量勢(shì)壘，因此這種

8、亞這種亞穩(wěn)態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定存在穩(wěn)態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定存在；當(dāng)加熱溫；當(dāng)加熱溫度超過(guò)一定值度超過(guò)一定值Tc(晶化溫度晶化溫度)后就會(huì)發(fā)生穩(wěn)定化轉(zhuǎn)后就會(huì)發(fā)生穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變，形成晶態(tài)合金。變，形成晶態(tài)合金。非非晶材料的衍射花樣是由較寬的暈和彌散的環(huán)組晶材料的衍射花樣是由較寬的暈和彌散的環(huán)組成，沒(méi)有表征結(jié)晶體的斑點(diǎn)和花紋。成，沒(méi)有表征結(jié)晶體的斑點(diǎn)和花紋。非晶合金衍射花樣非晶合金衍射花樣l描述非晶態(tài)結(jié)構(gòu)目前通用的方法是統(tǒng)計(jì)方法，即在描述非晶態(tài)結(jié)構(gòu)目前通用的方法是統(tǒng)計(jì)方法，即在非晶態(tài)材料中以任一原子為中心，在和它相距為非晶態(tài)材料中以任一原子為中心，在和它相距為r+dr的球殼中發(fā)現(xiàn)另一的球殼中發(fā)

9、現(xiàn)另一 個(gè)原子的幾率為：個(gè)原子的幾率為： drrrgVNrJ24)()( VN式中，式中， J(r)為徑向分布為徑向分布函數(shù)函數(shù)RDF； 為單位為單位體積中的原子數(shù)；體積中的原子數(shù)；g(r)為雙體相關(guān)函數(shù)。為雙體相關(guān)函數(shù)。 徑向分布函徑向分布函數(shù)示意圖數(shù)示意圖g(r)lRDF或或 g(r)可以在一定程度上反映非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)可以在一定程度上反映非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。計(jì)性質(zhì)。比較氣態(tài)、非晶態(tài)和晶態(tài)的雙體相關(guān)函數(shù)比較氣態(tài)、非晶態(tài)和晶態(tài)的雙體相關(guān)函數(shù)可以看出，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與液態(tài)非常接近，存在一定可以看出，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與液態(tài)非常接近，存在一定的短程有序，而與氣態(tài)和晶態(tài)則差別顯著的短程有序，而與氣態(tài)和晶態(tài)則差

10、別顯著。RDF和和g(r)可通過(guò)可通過(guò)X射線(xiàn)衍射確定射線(xiàn)衍射確定, 但它給出的僅是有關(guān)結(jié)但它給出的僅是有關(guān)結(jié)構(gòu)的一維信息，不能給出結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)。構(gòu)的一維信息，不能給出結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)。 氣體、液體、固體的原子分布函數(shù)氣體、液體、固體的原子分布函數(shù)l2、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型l在描述非晶材料結(jié)構(gòu)的模型中在描述非晶材料結(jié)構(gòu)的模型中(如如微晶微晶、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、硬球無(wú)硬球無(wú)規(guī)密堆規(guī)密堆等等)，多數(shù)人共認(rèn)的是，多數(shù)人共認(rèn)的是硬球無(wú)規(guī)密堆模型硬球無(wú)規(guī)密堆模型，該模型把該模型把原子假設(shè)為不可壓縮的硬球，原子假設(shè)為不可壓縮的硬球，均勻、連續(xù)、無(wú)規(guī)地堆積，結(jié)均勻、連續(xù)、無(wú)規(guī)地堆積，結(jié)構(gòu)中沒(méi)有容納另

11、一硬球的空間構(gòu)中沒(méi)有容納另一硬球的空間.這種模型的徑向分布函數(shù)與實(shí)這種模型的徑向分布函數(shù)與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好。測(cè)結(jié)果符合較好?，F(xiàn)有各種模現(xiàn)有各種模型都存在不足型都存在不足。 晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài) 金屬玻璃結(jié)構(gòu)金屬玻璃結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)性亞穩(wěn)性不僅包括溫度達(dá)到不僅包括溫度達(dá)到Tc以上發(fā)生的以上發(fā)生的晶化晶化，還包括低溫加熱時(shí)發(fā)生的，還包括低溫加熱時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)弛豫結(jié)構(gòu)弛豫。 在低于晶化溫度在低于晶化溫度Tc下退火時(shí)，合金內(nèi)部原子的相對(duì)位下退火時(shí)，合金內(nèi)部原子的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生較小變化，合金密度增加，應(yīng)力減小，能量置會(huì)發(fā)生較小變化，合金密度增加，應(yīng)力減小，能量降低，使金屬玻璃的結(jié)構(gòu)逐步接近降低，使金屬玻璃的結(jié)構(gòu)逐

12、步接近有序度較高的有序度較高的“理理想玻璃想玻璃”結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)變化稱(chēng)為，這種結(jié)構(gòu)變化稱(chēng)為結(jié)構(gòu)弛豫結(jié)構(gòu)弛豫。 發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫的同時(shí)，非晶合金的密度、比熱、粘度發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫的同時(shí)，非晶合金的密度、比熱、粘度、電阻、彈性模量等性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。、電阻、彈性模量等性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。 金屬玻璃在高于晶化溫度金屬玻璃在高于晶化溫度Tc退火時(shí)，退火時(shí)，由于熱激活的由于熱激活的能量增大，非晶合金克服穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變勢(shì)壘，轉(zhuǎn)變成能量增大，非晶合金克服穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變勢(shì)壘，轉(zhuǎn)變成自由能更低的晶態(tài)。自由能更低的晶態(tài)。 晶化中金屬玻璃的結(jié)構(gòu)變化較大，一般涉及原子長(zhǎng)晶化中金屬玻璃的結(jié)構(gòu)變化較大，一般涉及原子長(zhǎng)程擴(kuò)散，所

13、需激活能比發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)高。程擴(kuò)散，所需激活能比發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫時(shí)高。晶化中晶化中發(fā)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化，合金許多性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生較大發(fā)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化，合金許多性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生較大的變化。的變化。晶化熱處理晶化熱處理 非晶晶化結(jié)晶與凝固結(jié)晶類(lèi)似，也是一個(gè)形核和長(zhǎng)非晶晶化結(jié)晶與凝固結(jié)晶類(lèi)似，也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。大的過(guò)程。晶化是固態(tài)反應(yīng)過(guò)程，受原子在固相中的擴(kuò)散支晶化是固態(tài)反應(yīng)過(guò)程，受原子在固相中的擴(kuò)散支配，所以配，所以晶化速度沒(méi)有凝固結(jié)晶快晶化速度沒(méi)有凝固結(jié)晶快。非晶比熔體在結(jié)構(gòu)上更接近晶態(tài)，晶化形核時(shí)作非晶比熔體在結(jié)構(gòu)上更接近晶態(tài)，晶化形核時(shí)作為主要阻力的界面能比凝固時(shí)固液界面能小，因?yàn)橹饕枇Φ慕缑?/p>

14、能比凝固時(shí)固液界面能小，因而形核率很高，而形核率很高，非晶合金晶化后晶粒十分細(xì)小非晶合金晶化后晶粒十分細(xì)小。實(shí)際快速凝固中，形成非晶同時(shí)也可能形成一些實(shí)際快速凝固中，形成非晶同時(shí)也可能形成一些細(xì)小的晶粒，它們?cè)诜蔷ЬЩ瘯r(shí)可作為非均勻形細(xì)小的晶粒，它們?cè)诜蔷ЬЩ瘯r(shí)可作為非均勻形核媒質(zhì)。此外，非晶中的夾雜物、自由表面等都核媒質(zhì)。此外，非晶中的夾雜物、自由表面等都可使晶化以非均勻形核方式進(jìn)行?？墒咕Щ苑蔷鶆蛐魏朔绞竭M(jìn)行。 非晶的非晶的結(jié)構(gòu)弛豫和晶化都是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)產(chǎn)生的變結(jié)構(gòu)弛豫和晶化都是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)產(chǎn)生的變化化，非晶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要取決以下因素：，非晶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要取決以下因素：合金組元的種類(lèi)和含

15、量：合金組元的種類(lèi)和含量：組元種類(lèi)和含量的變組元種類(lèi)和含量的變化會(huì)改變?cè)渔I合強(qiáng)度和短程有序程度。化會(huì)改變?cè)渔I合強(qiáng)度和短程有序程度。凝固冷速：凝固冷速：冷速越高，金屬玻璃的自由能就會(huì)冷速越高，金屬玻璃的自由能就會(huì)越高，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)越低，在一定條件越高，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會(huì)越低，在一定條件下越容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫和晶化。下越容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫和晶化。選擇適當(dāng)?shù)哪x擇適當(dāng)?shù)哪汤渌賹?duì)保證金屬玻璃穩(wěn)定性十分重要。固冷速對(duì)保證金屬玻璃穩(wěn)定性十分重要。 其它一些因素也能影響金屬玻璃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：其它一些因素也能影響金屬玻璃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：退火溫度一定時(shí)，退火溫度一定時(shí)，組態(tài)熵較大的合金組態(tài)熵較大的合金晶化

16、激活能晶化激活能較大，非晶發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫或晶化所需激活能越大較大，非晶發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫或晶化所需激活能越大，非晶結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。，非晶結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。玻璃形成能力玻璃形成能力(GFA)較強(qiáng)較強(qiáng)的合金形成的非晶結(jié)構(gòu)的合金形成的非晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，共晶成分或接近共晶成分的合金穩(wěn)定性較高，共晶成分或接近共晶成分的合金GFA很強(qiáng)，它們形成的非晶穩(wěn)定性一般都很高。很強(qiáng)，它們形成的非晶穩(wěn)定性一般都很高。中子輻照中子輻照可使極細(xì)晶粒非晶化，消除非晶合金晶可使極細(xì)晶粒非晶化，消除非晶合金晶化時(shí)非均勻形核媒質(zhì)，提高非晶合金的穩(wěn)定性。化時(shí)非均勻形核媒質(zhì)，提高非晶合金的穩(wěn)定性。非晶合金的開(kāi)發(fā)歷程非晶合金的開(kāi)發(fā)歷程23 184

17、5年，沃茨通過(guò)將年，沃茨通過(guò)將鎳的磷化物溶液分解在鐵基體鎳的磷化物溶液分解在鐵基體上上獲得鎳的沉積物，這種沉積物很可能就是人類(lèi)第一次獲得鎳的沉積物，這種沉積物很可能就是人類(lèi)第一次獲得的非晶態(tài)金屬，但當(dāng)時(shí)由于還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)獲得的非晶態(tài)金屬，但當(dāng)時(shí)由于還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)衍射線(xiàn)衍射技術(shù)，因此未能得到證實(shí)。射技術(shù)，因此未能得到證實(shí)。 歷史上有關(guān)非晶合金的第一個(gè)報(bào)導(dǎo)是歷史上有關(guān)非晶合金的第一個(gè)報(bào)導(dǎo)是Kramer在在1934年年用蒸發(fā)沉積制得的。（在真空中將金屬蒸發(fā)到冷基底用蒸發(fā)沉積制得的。（在真空中將金屬蒸發(fā)到冷基底上，上，X射線(xiàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)原子周期性消失）射線(xiàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)原子周期性消失） 1947年，年，Brenn

18、er等人用電解和化學(xué)沉積獲得了等人用電解和化學(xué)沉積獲得了Ni-P和和Co-P的非晶薄膜，發(fā)現(xiàn)其有的非晶薄膜，發(fā)現(xiàn)其有高硬度、耐腐蝕高硬度、耐腐蝕特性，可特性，可用作金屬表面的防護(hù)涂層，這是非晶材料最早的工業(yè)用作金屬表面的防護(hù)涂層，這是非晶材料最早的工業(yè)應(yīng)用，但并末引起廣泛注意。應(yīng)用，但并末引起廣泛注意。24 1958年，安德森提出：年，安德森提出：當(dāng)晶格無(wú)序度超過(guò)一定臨界當(dāng)晶格無(wú)序度超過(guò)一定臨界標(biāo)準(zhǔn)后，固體中的電子擴(kuò)散將會(huì)消失。標(biāo)準(zhǔn)后，固體中的電子擴(kuò)散將會(huì)消失。 同年，在美國(guó)阿爾弗雷德召開(kāi)了第一次非晶態(tài)固體同年，在美國(guó)阿爾弗雷德召開(kāi)了第一次非晶態(tài)固體國(guó)際會(huì)議。從此，非晶物理與材料的研究發(fā)展成為

19、國(guó)際會(huì)議。從此，非晶物理與材料的研究發(fā)展成為材料科學(xué)的一個(gè)重要分支。材料科學(xué)的一個(gè)重要分支。 1960年，古貝蒙維從理論上預(yù)示非晶固體具有鐵磁年，古貝蒙維從理論上預(yù)示非晶固體具有鐵磁性：晶態(tài)固體的電子能帶過(guò)渡到液態(tài)時(shí)不會(huì)有任何性：晶態(tài)固體的電子能帶過(guò)渡到液態(tài)時(shí)不會(huì)有任何基本形式的改變，這意味著基本形式的改變，這意味著能帶結(jié)構(gòu)更依賴(lài)于短程能帶結(jié)構(gòu)更依賴(lài)于短程序，而不是長(zhǎng)程序，交換作用與短程序相關(guān)而與晶序，而不是長(zhǎng)程序，交換作用與短程序相關(guān)而與晶格結(jié)構(gòu)并無(wú)必然的聯(lián)系格結(jié)構(gòu)并無(wú)必然的聯(lián)系。因此，短程序的非晶固體因此，短程序的非晶固體應(yīng)具有鐵磁性。應(yīng)具有鐵磁性。 1960年，年，Duwez等人從熔融金

20、屬急冷制成了金屬玻璃等人從熔融金屬急冷制成了金屬玻璃并開(kāi)始進(jìn)行研究并開(kāi)始進(jìn)行研究。（。（“槍槍”法，法，Au-Si） 1969年，美國(guó)人年，美國(guó)人Pond和和Maddin研究了生產(chǎn)非晶態(tài)合研究了生產(chǎn)非晶態(tài)合金帶材的技術(shù)，發(fā)明了單輥懸淬法，為規(guī)模生產(chǎn)奠金帶材的技術(shù)，發(fā)明了單輥懸淬法，為規(guī)模生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。定了技術(shù)基礎(chǔ)。 1973年，美國(guó)生產(chǎn)出具有很好年，美國(guó)生產(chǎn)出具有很好導(dǎo)磁和耐蝕性能導(dǎo)磁和耐蝕性能的非的非晶鐵基合金薄帶，非晶合金的研究和應(yīng)用受到世界晶鐵基合金薄帶，非晶合金的研究和應(yīng)用受到世界各國(guó)廣泛的重視。各國(guó)廣泛的重視。非晶非晶FeFe基帶材基帶材 我國(guó)非晶合金的研究開(kāi)始于七十年代中期。

21、我國(guó)非晶合金的研究開(kāi)始于七十年代中期。 1982年，我國(guó)建立非晶合金牌號(hào)，批量年，我國(guó)建立非晶合金牌號(hào)，批量(50kg/次次)生生產(chǎn)寬度為產(chǎn)寬度為50-100mm的薄帶并制成大功率變壓器、開(kāi)的薄帶并制成大功率變壓器、開(kāi)關(guān)變壓器等鐵芯。關(guān)變壓器等鐵芯。 2000年年9月月20日，在鋼鐵研究總院的非晶帶材生產(chǎn)線(xiàn)日，在鋼鐵研究總院的非晶帶材生產(chǎn)線(xiàn)上成功地噴出了寬上成功地噴出了寬220mm、表面質(zhì)量良好的非晶帶、表面質(zhì)量良好的非晶帶材，它標(biāo)志著我國(guó)在該材料的研制和生產(chǎn)上達(dá)到國(guó)材，它標(biāo)志著我國(guó)在該材料的研制和生產(chǎn)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。際先進(jìn)水平。 用非晶材料制成磁頭可用于錄音、錄像；用于各種用非晶材料制成

22、磁頭可用于錄音、錄像；用于各種傳感器的非晶圈絲、薄帶及薄膜也研制成功；非晶傳感器的非晶圈絲、薄帶及薄膜也研制成功；非晶薄膜用于磁記錄技術(shù)方面也取得重大成果。薄膜用于磁記錄技術(shù)方面也取得重大成果。非晶磁頭非晶磁頭最新進(jìn)展 臨界冷卻速率 0.1K/s到幾百K/s 最大尺寸 mm 合金體系 Mg La Zr非晶合金的制備非晶合金的制備技術(shù)難點(diǎn) 必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài) 保持非晶的亞穩(wěn)態(tài)，不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變l目前可以目前可以通過(guò)熔體急冷而制成的非晶態(tài)合金已有很通過(guò)熔體急冷而制成的非晶態(tài)合金已有很多種多種，典型的有，典型的有Fe40Ni40B20、Fe77Si13B10、CoxZr1-x、Zr47Ti

23、8Cu7.5Ni10Be27.5 (塊狀合金塊狀合金)、 Fe80B20等。等。Fe80B20結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)非晶合金帶非晶合金帶l液態(tài)金屬不發(fā)生結(jié)晶的最小冷卻速度稱(chēng)作臨界冷卻速液態(tài)金屬不發(fā)生結(jié)晶的最小冷卻速度稱(chēng)作臨界冷卻速度度RC。從理論上講，只要冷速足夠大。從理論上講，只要冷速足夠大(大于大于RC)，所有，所有金屬都可獲得非晶態(tài)。但目前能獲得的最大冷速為金屬都可獲得非晶態(tài)。但目前能獲得的最大冷速為106/秒秒熔體在大于臨界冷速熔體在大于臨界冷速冷卻時(shí)原子擴(kuò)散能力冷卻時(shí)原子擴(kuò)散能力顯著下降，最后被凍顯著下降，最后被凍結(jié)成非晶態(tài)的固體。結(jié)成非晶態(tài)的固體。固化溫度固化溫度Tg稱(chēng)稱(chēng)玻璃化玻璃化溫度溫度.非

24、晶非晶CCT曲線(xiàn)曲線(xiàn)l定義1：過(guò)冷熔體停止保持內(nèi)平衡狀態(tài)的溫度。Tg與冷速有關(guān)與冷速有關(guān),冷速越快，冷速越快，Tg越越高；同高；同理，冷速越慢，能獲得越多的時(shí)間使過(guò)冷理，冷速越慢，能獲得越多的時(shí)間使過(guò)冷熔體達(dá)到內(nèi)平衡，熔體達(dá)到內(nèi)平衡， Tg越低。越低。l定義2：過(guò)冷熔體的黏度達(dá)到10131015Pas.l黏度反映了過(guò)冷條件下原子的活動(dòng)能力的變化，在接近Tg溫度時(shí)，黏度對(duì)溫度異常敏感。l體積、熱焓、熵在體積、熱焓、熵在Tg處連續(xù)，處連續(xù)，但斜率發(fā)生變化；但斜率發(fā)生變化；l比熱和熱膨脹系數(shù)在比熱和熱膨脹系數(shù)在Tg處不處不連續(xù)。連續(xù)。l非晶態(tài)形成條件非晶態(tài)形成條件:l冷卻速度：冷卻速度：利用金屬和合

25、金非晶態(tài)形成的利用金屬和合金非晶態(tài)形成的TTT曲線(xiàn)曲線(xiàn)或或CCT曲線(xiàn)曲線(xiàn)可估算或確定可估算或確定 RC：RC =(Tm-Tn)/tn（Tm為熔為熔點(diǎn)，點(diǎn)，Tn 、 tn分別為分別為C曲線(xiàn)鼻尖所對(duì)應(yīng)的溫度和時(shí)間）曲線(xiàn)鼻尖所對(duì)應(yīng)的溫度和時(shí)間）l化學(xué)成分：化學(xué)成分：組元間電負(fù)性與原子尺寸相差越大組元間電負(fù)性與原子尺寸相差越大(10% 20%), 越容易形成非晶態(tài)。越容易形成非晶態(tài)。因而因而過(guò)度族金屬或貴金屬過(guò)度族金屬或貴金屬與類(lèi)金屬與類(lèi)金屬 (B、C、N、Si、P)、稀土金屬與過(guò)度族金屬稀土金屬與過(guò)度族金屬、后后過(guò)度族金屬與前過(guò)度族金屬組成的合金易于形成非晶過(guò)度族金屬與前過(guò)度族金屬組成的合金易于形成

26、非晶.Al-Y-M合金合金非晶形成的成非晶形成的成分范圍分范圍Al-Y相圖相圖l熔點(diǎn)和玻璃化溫度之差熔點(diǎn)和玻璃化溫度之差 T ： T =Tm-Tg ， T越小，越小， 形成非晶傾向越大。形成非晶傾向越大。 因而，因而，成分位于共晶成分位于共晶點(diǎn)附近的合金易于形點(diǎn)附近的合金易于形成非晶成非晶.l*說(shuō)明：說(shuō)明：右圖中橫坐標(biāo)右圖中橫坐標(biāo)為為A、B兩組元電負(fù)性?xún)山M元電負(fù)性差的絕對(duì)值；縱坐標(biāo)差的絕對(duì)值；縱坐標(biāo)為為A、B原子因極化作原子因極化作用而引起的效應(yīng)。用而引起的效應(yīng)。l1、氣態(tài)急冷法：、氣態(tài)急冷法：l氣態(tài)急冷法一般稱(chēng)為氣態(tài)急冷法一般稱(chēng)為氣相沉積法氣相沉積法(PVD和和CVD)，PVD主要包括主要包

27、括濺濺射法射法和和蒸發(fā)法蒸發(fā)法，這兩種方法都在，這兩種方法都在真空中進(jìn)行。真空中進(jìn)行。l濺射法濺射法是通過(guò)在電場(chǎng)中加速的粒是通過(guò)在電場(chǎng)中加速的粒子轟擊用母材制成的靶（陰極子轟擊用母材制成的靶（陰極)，使被激發(fā)的物質(zhì)脫離母材而沉積使被激發(fā)的物質(zhì)脫離母材而沉積在用液氮冷卻的基板表面上而形在用液氮冷卻的基板表面上而形成非晶態(tài)薄膜。成非晶態(tài)薄膜。 磁控濺射非晶合金薄膜磁控濺射非晶合金薄膜l蒸發(fā)法蒸發(fā)法是將合金母材加熱汽化，所產(chǎn)生的蒸汽沉積是將合金母材加熱汽化，所產(chǎn)生的蒸汽沉積在冷卻的基板上而形成非晶薄膜。這兩種方法制得在冷卻的基板上而形成非晶薄膜。這兩種方法制得的非晶材料只能是小片的薄膜，不能進(jìn)行工業(yè)

28、生產(chǎn)的非晶材料只能是小片的薄膜，不能進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),但由于其可制成非晶范圍較寬，因而可用于研究。但由于其可制成非晶范圍較寬，因而可用于研究。物理氣相沉積設(shè)備物理氣相沉積設(shè)備l2、熔體態(tài)急冷法：、熔體態(tài)急冷法：l目前最常用的液態(tài)急冷法是目前最常用的液態(tài)急冷法是旋輥急冷法旋輥急冷法，分為單輥，分為單輥法和雙輥法。單輥法是將試塊放入石英坩堝中，在法和雙輥法。單輥法是將試塊放入石英坩堝中，在氬氣保護(hù)下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，再用氣壓將氬氣保護(hù)下用高頻感應(yīng)加熱使其熔化，再用氣壓將熔融金屬?gòu)墓艿撞康谋馄娇趪姵?，落在高速旋轉(zhuǎn)的熔融金屬?gòu)墓艿撞康谋馄娇趪姵?，落在高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪上，經(jīng)過(guò)急冷立即形成很薄的非晶帶。

29、銅輥輪上，經(jīng)過(guò)急冷立即形成很薄的非晶帶。 鐵基鐵基鐵鎳基鐵鎳基l離心法和單輥法由于單面接觸冷離心法和單輥法由于單面接觸冷卻，尺寸精度和表面光潔度不理卻，尺寸精度和表面光潔度不理想，但產(chǎn)品寬度可達(dá)想，但產(chǎn)品寬度可達(dá)10mm以上，以上，長(zhǎng)度可達(dá)長(zhǎng)度可達(dá)100m以上；雙輥法尺寸以上；雙輥法尺寸精度好，但調(diào)節(jié)比較困難，只能精度好，但調(diào)節(jié)比較困難，只能制作寬度在制作寬度在10mm以下的薄帶。以下的薄帶。非晶態(tài)合金生產(chǎn)線(xiàn)示意圖非晶態(tài)合金生產(chǎn)線(xiàn)示意圖澆注機(jī)澆注機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)卷帶機(jī)卷帶機(jī)非晶合金非晶合金絲材內(nèi)圓水紡制備過(guò)程絲材內(nèi)圓水紡制備過(guò)程水水Microstructure of as spun ribb

30、ons 48Ni(Cu)-36,5Zr(Ti)-10Si-5All3、非晶態(tài)合金塊材制備方法、非晶態(tài)合金塊材制備方法l大塊非晶合金主要通過(guò)調(diào)整成分來(lái)獲得強(qiáng)的非晶形成大塊非晶合金主要通過(guò)調(diào)整成分來(lái)獲得強(qiáng)的非晶形成能力。能力。Inoue 等人提出了三條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律：等人提出了三條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律：l為了控制冷卻過(guò)程中的非均勻?yàn)榱丝刂评鋮s過(guò)程中的非均勻形核：形核：一要提高合金的純度，一要提高合金的純度，減少雜質(zhì)；二要采用高純惰性減少雜質(zhì)；二要采用高純惰性氣體保護(hù)，盡量減少含氧量。氣體保護(hù)，盡量減少含氧量。l合金系由三個(gè)以上組元組成；合金系由三個(gè)以上組元組成；l主要組元的原子有主要組元的原子有13

31、%以上的原子尺寸差；以上的原子尺寸差；l各組元間有大的負(fù)混合熱各組元間有大的負(fù)混合熱；l結(jié)晶結(jié)晶和非晶的形成和非晶的形成過(guò)程對(duì)比：過(guò)程對(duì)比：l晶體晶體的生長(zhǎng)過(guò)程一般是的生長(zhǎng)過(guò)程一般是ABE，非晶形成過(guò)程是，非晶形成過(guò)程是ABC。圖中。圖中D 表示非晶的晶化。為了制備非晶合表示非晶的晶化。為了制備非晶合金，必須抑制過(guò)程金，必須抑制過(guò)程E、D 的發(fā)生。的發(fā)生。高過(guò)冷液體穩(wěn)定性BMG合金TTT曲線(xiàn)示意圖u 塊體非晶合金的過(guò)冷熔體穩(wěn)定性較高，可在更寬的溫度和時(shí)間內(nèi)測(cè)量非晶形成體系的黏度u 傳統(tǒng)非晶過(guò)冷液體的形核動(dòng)力學(xué)C曲線(xiàn)鼻尖處的結(jié)晶開(kāi)始時(shí)間在10 -410 -3su BMG形成體系，其C曲線(xiàn)鼻尖處的

32、結(jié)晶開(kāi)始時(shí)間在1001000s。u 非晶中同時(shí)進(jìn)行單原子跳躍和集體運(yùn)動(dòng)，造成了過(guò)冷液體的長(zhǎng)程輸運(yùn)，后者起主要作用。BMG合金系及其鑄件玻璃形成的臨界厚度合金系及其鑄件玻璃形成的臨界厚度l典型塊狀非晶合金：典型塊狀非晶合金： Zr65Al7.5Cu17.5Ni10 Zr47Ti8Cu7.5Ni10Be27.5 Pd40Ni10Cu30P20合金系合金系最大厚度最大厚度/mm臨界冷速臨界冷速RC/KS-1發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn)年代非非鐵鐵磁磁性性Mg-Ln-M(Ln鑭系鑭系,MCu,Ni,Zn) 10 2001988Ln-Al-TM(TM過(guò)渡族金屬過(guò)渡族金屬) 10 2001989Ln-Ga-TM1989Z

33、r-Al-TM 301101990Zr-Ti-Al-TM1990Ti-Zr-TM1993Zr-Ti-TM-Be 30151993Zr-(Nb,Pd)-Al-TM1995Pd-Cu-Ni-P 750.131996Pd-Ni-Fe-P1996Pd-Cu-B-Si1997Ti-Ni-Cu-Sn1998鐵鐵磁磁性性Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge) 3 4001995Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,B,Si)1995Co-(Al,Ga)-(P,B,Si)1996Fe-(Zr,Hf,Nb)-(B) 61996Co-Fe-(Zr,Hf,Nb)-B1996Ni-(Zr,Hf,Nb)

34、-(Cr,Mo)-B1996Fe-Co-Ln-B1998Fe-(Nb,Cr,Mo)-(P,C,B)1999Ni-(Nb,Cr,Mo)-(P,B)1999大塊非晶合金的主要制備方法大塊非晶合金的主要制備方法： 熔體水淬熔體水淬法法將大塊非晶合金的配料密封在抽成真空的石英管中，加熱后水淬冷卻，獲得大塊非晶合金。如果合金中有高熔點(diǎn)組成，可先在氬弧爐中混料制成合金后再封裝到石英管中。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資小，封裝石英管的部門(mén)很容易找到，且易得到尺寸較大的圓柱形大塊非晶棒。缺點(diǎn)是每制備一次非晶樣品均須封一次石英管，且淬火時(shí)石英管要被破壞。石英管水淬法在非晶合金的科學(xué)研究中常用。為提高淬火時(shí)的冷卻能力，也可將試樣

35、封在不銹鋼管中水淬，用這種方法也可制備出異型樣品。水淬法制備BMG工作原理示意圖水淬塊狀非晶合金制品水淬塊狀非晶合金制品 氬弧爐熔煉法氬弧爐熔煉法 將各組分混合后利用氬弧爐直接煉制非晶制品。此法只能煉制尺寸較小的非晶樣品，且非晶樣品的形狀一般為紐扣狀，不易加工成型。另外此法對(duì)合金體系的非晶形成能力要求高，否則樣品或樣品的心部不能形成非晶，樣品和坩堝直接接觸的底部有時(shí)未完全熔化，可成為結(jié)晶相與成的核心，也易出現(xiàn)結(jié)晶相。氬弧爐的熔煉溫度很高，經(jīng)常用于煉制前的混料過(guò)程，即首先用氬弧爐煉制出易形成非晶的合金，然后用其他快冷方法得到大塊非晶合金。金屬模鑄造法 將高純?cè)卦跉灞Ｏ氯廴诨旌虾鬂沧⒌姐~模中。具

36、體工藝可分為射流成型、高壓鑄造、吸鑄等。 噴鑄噴鑄-吸吸鑄法鑄法銅模的優(yōu)良的導(dǎo)熱性能+高壓水流的散熱效果+吸鑄-壓鑄的特點(diǎn)此法是在加熱裝置的下方設(shè)置一水冷銅模，非晶合金組分熔化后靠吸鑄進(jìn)入水冷銅模冷卻形成非晶。此法雖然要求有專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，但由于冷速較高能制備較大尺寸的非晶樣品，而且可用不同的模具制備出不同形狀的非晶樣品，也可制備形狀復(fù)雜的非晶樣品，廣泛應(yīng)用。Inoue：直徑30mm Zr-Al-Ni-Cu玻璃棒設(shè)備工藝簡(jiǎn)圖噴鑄噴鑄-吸鑄法吸鑄法 優(yōu)點(diǎn)：采用高頻或中頻感應(yīng)加熱，合金熔化速度快，電磁攪拌作用使合金成分更均勻。熔煉合金量從幾克到幾千克，適合大尺寸玻璃樣品的制備。熔體充型速度快，提供玻璃

37、形成能力。 定向區(qū)域熔煉法定向區(qū)域熔煉法 定向區(qū)域熔煉法的冷卻速度可由固液界面的移動(dòng)速度和爐內(nèi)的溫度梯度的乘積來(lái)確定，這種方法要求用于制備非晶合金的原始材料在成分上是均勻的，且非晶形成能力較強(qiáng)。能夠用這種方法制備大塊非晶合金意味著可以用連續(xù)的方法制備出大尺寸異形的非晶樣品。 Inoue：Zr60Al10Ni10Cu15Pd5，厚10mm寬12mm長(zhǎng)170mm La系：La-Al-Ni， La-Al-Cu， La-Al-Ni-Cu， La-Al-Ni-Co 高壓鑄造法高壓鑄造法 母合金在氬氣保護(hù)、帶有高頻感應(yīng)線(xiàn)圈的缸套內(nèi)熔煉，通過(guò)水壓推動(dòng)活塞，將熔融金屬快速推入到銅模中。 Mg65Cu25Y10

38、鐵模銅模 擠壓鑄造法擠壓鑄造法 母合金真空感應(yīng)熔煉，通過(guò)水壓推動(dòng)活塞，將熔融金屬快速推入到水冷銅模型腔中。待熔體完全填滿(mǎn)型腔后，在密閉鑄型內(nèi)加壓（100MPa）保壓（120s），直到金屬完全凝固。 Mg65Cu15Ag10Y10 此外還有懸浮熔煉法、落管技術(shù)法此外還有懸浮熔煉法、落管技術(shù)法、高壓、高壓復(fù)合法等。復(fù)合法等。大塊非晶試樣制備裝置大塊非晶試樣制備裝置大塊非晶試棒大塊非晶試棒大塊非晶合金大塊非晶合金Zr-Ti-Cu-Ni-Al合金合金Mg合金合金Zr56.3Ti13.8Cu6.9Ni5.6Nb5.0Be12.5塊狀非晶合金的塊狀非晶合金的TEM形貌形貌非晶中的切變帶非晶中的切變帶含有晶

39、相的復(fù)相組織含有晶相的復(fù)相組織63非晶合金粉的制備非晶合金粉的制備 將合金液吹成小滴霧化，如圖將合金液吹成小滴霧化，如圖(a)所示，氣流本身還所示，氣流本身還是淬火冷卻劑，也可用液體是淬火冷卻劑，也可用液體(如水如水)代替氣體作淬火介代替氣體作淬火介質(zhì)，提高冷速，但得到的顆粒形狀不規(guī)則。質(zhì)，提高冷速，但得到的顆粒形狀不規(guī)則。 同時(shí)使用氣體和液體噴流，如圖同時(shí)使用氣體和液體噴流，如圖(b)所示，所示，氣體將小氣體將小顆粒淬火，大顆粒由液體提供較高冷速，顆粒淬火，大顆粒由液體提供較高冷速，平均冷速平均冷速達(dá)達(dá)105-106K/s。非晶合金粉末的制備非晶合金粉末的制備(a)(a)氣流體霧化，氣流體霧

40、化，(b)(b)氣氣- -流霧化流霧化a ab b非晶粉末擠壓法尺寸形狀受限非非晶材料的晶材料的力學(xué)行為力學(xué)行為66 非晶中非晶中原子有較強(qiáng)的鍵合原子有較強(qiáng)的鍵合，特別是金屬，特別是金屬- -類(lèi)金屬非晶類(lèi)金屬非晶中原子鍵合比一般晶態(tài)合金強(qiáng)得多；中原子鍵合比一般晶態(tài)合金強(qiáng)得多； 非晶合金中原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，缺乏周期性，非晶合金中原子排列長(zhǎng)程無(wú)序，缺乏周期性，合金合金受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生滑移受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生滑移。 非晶合金具有很高的強(qiáng)度、硬度和較高的剛度，是非晶合金具有很高的強(qiáng)度、硬度和較高的剛度，是強(qiáng)度最高的實(shí)用材料之一。強(qiáng)度最高的實(shí)用材料之一。強(qiáng)度、硬度和剛度強(qiáng)度、硬度和剛度高強(qiáng)度非晶材料高強(qiáng)度非晶材

41、料67 一些非晶合金的強(qiáng)度甚至超過(guò)了高強(qiáng)度馬氏體時(shí)一些非晶合金的強(qiáng)度甚至超過(guò)了高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼效鋼(s約約2GPa)，強(qiáng)度最高的，強(qiáng)度最高的Fe80B20的屈服強(qiáng)度的屈服強(qiáng)度與經(jīng)過(guò)冷拉的鋼絲差不多。與經(jīng)過(guò)冷拉的鋼絲差不多。 金屬玻璃具有很好的室溫強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，也金屬玻璃具有很好的室溫強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，也具有很好的耐磨性能，具有很好的耐磨性能，在相同的試驗(yàn)條件下磨損在相同的試驗(yàn)條件下磨損速度與速度與WCrCo耐磨合金差不多。耐磨合金差不多。 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金力學(xué)性能的特點(diǎn)是具有高的強(qiáng)度和硬度。力學(xué)性能的特點(diǎn)是具有高的強(qiáng)度和硬度。例如非晶態(tài)鋁合金的抗拉強(qiáng)度例如非晶態(tài)鋁合金的抗拉強(qiáng)度(11

42、40MPa)是超硬鋁抗是超硬鋁抗拉強(qiáng)度拉強(qiáng)度(520MPa)的兩倍。非晶態(tài)合金的兩倍。非晶態(tài)合金Fe80B20抗拉抗拉強(qiáng)度達(dá)強(qiáng)度達(dá)3630MPa，而晶態(tài)超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度僅，而晶態(tài)超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度僅為為 18202000MPa，可見(jiàn)非晶態(tài)合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)非合，可見(jiàn)非晶態(tài)合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)非合金鋼所及。非晶態(tài)合金強(qiáng)度高的原因是由于其結(jié)構(gòu)中金鋼所及。非晶態(tài)合金強(qiáng)度高的原因是由于其結(jié)構(gòu)中不存在位錯(cuò)，沒(méi)有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生不存在位錯(cuò)，沒(méi)有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生滑移滑移. 各各種種合合金金強(qiáng)強(qiáng)度度比比較較比強(qiáng)度比強(qiáng)度屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度70韌性和延性韌性和延性 非晶合金不僅具有很高的強(qiáng)非晶合

43、金不僅具有很高的強(qiáng)度和硬度，與脆性的無(wú)機(jī)玻度和硬度，與脆性的無(wú)機(jī)玻璃截然不同，還具有很好的璃截然不同，還具有很好的韌性，并且在一定的受力條韌性，并且在一定的受力條件下還具有較好的延性。件下還具有較好的延性。 Fe80B20非晶合金的斷裂韌性非晶合金的斷裂韌性可達(dá)可達(dá)12MPa.m-1/2，這比強(qiáng)度，這比強(qiáng)度相近的其它材料的韌性高得相近的其它材料的韌性高得多，比石英玻璃的斷裂韌性多，比石英玻璃的斷裂韌性約高二個(gè)數(shù)量級(jí)。約高二個(gè)數(shù)量級(jí)。柔韌的非晶柔韌的非晶71 金屬玻璃的塑性與外力方向有關(guān)，金屬玻璃的塑性與外力方向有關(guān)，處于壓縮、剪處于壓縮、剪切、彎曲狀態(tài)時(shí)，金屬玻璃具有很好的延性，切、彎曲狀態(tài)時(shí)

44、，金屬玻璃具有很好的延性，非非晶合金的壓縮延伸率可達(dá)晶合金的壓縮延伸率可達(dá)40，軋制時(shí)壓下率為，軋制時(shí)壓下率為50以上也不會(huì)產(chǎn)生斷裂，薄帶對(duì)彎至以上也不會(huì)產(chǎn)生斷裂，薄帶對(duì)彎至180度一般度一般也不會(huì)斷裂。也不會(huì)斷裂。 金屬玻璃在拉伸應(yīng)力條件下的延伸率很低，金屬玻璃在拉伸應(yīng)力條件下的延伸率很低，一般一般只有約只有約0.1%。 非晶合金的彈性模量比晶態(tài)合金略低。非晶合金的彈性模量比晶態(tài)合金略低。 非晶合金在外力作用下應(yīng)變不均勾，受疲勞應(yīng)力非晶合金在外力作用下應(yīng)變不均勾，受疲勞應(yīng)力作用時(shí)疲勞裂紋容易形核，作用時(shí)疲勞裂紋容易形核，疲勞壽命較低疲勞壽命較低。 晶體受到剪切應(yīng)力時(shí)，會(huì)以位錯(cuò)為媒介在特定晶面

45、上時(shí)，會(huì)以位錯(cuò)為媒介在特定晶面上 滑移，而非晶合金的滑移，而非晶合金的原子排列是無(wú)序的，原子排列是無(wú)序的，有很高的自由體積，有很高的自由體積，外力作用時(shí)，可重新外力作用時(shí)，可重新排列形成另一穩(wěn)定的排列形成另一穩(wěn)定的組態(tài)，因而非晶態(tài)合組態(tài)，因而非晶態(tài)合金屈服時(shí)呈整體屈服金屈服時(shí)呈整體屈服而不是局部屈服，具而不是局部屈服，具有很高的屈服強(qiáng)度。有很高的屈服強(qiáng)度。 Deformation characteristics of metallic glassPlastic deformation SEM image of shear steps formed by the propagation of h

46、ighly localized shear bands during rolling of a bulk metallic glass specimen.SEM image of a tensile failure surface produced at a high strain rate. The smeared voids and droplets are indicative of the significant material softening and viscous flow within the shear band.一些非晶態(tài)合金的力學(xué)性能一些非晶態(tài)合金的力學(xué)性能 合金合金

47、 硬度硬度HV斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度MPa延伸率延伸率%彈性模量彈性模量MPa非非晶晶態(tài)態(tài)合合金金 Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P13C7744830400.03121520Ni75Si81478400晶態(tài)晶態(tài) 18Ni-9Co-5Mo 181021301012 非晶態(tài)合金延伸率低但并不脆，非晶態(tài)合金延伸率低但并不脆，而且具有很高的韌性而且具有很高的韌性，非晶薄帶，非晶薄帶可以反復(fù)彎曲可以反復(fù)彎曲180而不斷裂，并而不斷裂，并可以冷軋，有些

48、合金的冷軋壓下可以冷軋，有些合金的冷軋壓下率可達(dá)率可達(dá)50%。 非晶合金的脆性斷裂非晶合金的脆性斷裂非晶合金的韌性斷裂非晶合金的韌性斷裂各種合金彈性應(yīng)變極限比較各種合金彈性應(yīng)變極限比較Zr-Al-Ni-Cu金屬玻璃在過(guò)冷液態(tài)金屬玻璃在過(guò)冷液態(tài)區(qū)的模鍛件區(qū)的模鍛件79金屬玻璃的強(qiáng)度、硬度和彈性模量金屬玻璃的強(qiáng)度、硬度和彈性模量合金合金屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度/GPa斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度/GPa硬度硬度Hv/MPa彈性模量彈性模量/GPaNi36Fe32Cr14P12B62.73/8.63141Ni40Fe20P14B4Si22.352.387.77129Fe80P16C1B12.44/8.19135Fe80

49、Si10B102.91/8.13158Fe80P13C72.303.047.45122Fe80B203.63/10.79166Co77.5Si12.5B103.58/11.2190Ni60Nb401.93/8.82125Cu50Zr501.80/5.6883.5塊體非晶合金的力學(xué)性能 極高的斷裂強(qiáng)度 高硬度 高彈性應(yīng)變和高彈性極限 高斷裂韌性 低的楊氏模量 過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的超塑性變形行為非晶態(tài)合金體系：Pd-、 Zr-、Mg-、Cu-、Ni-、Fe-、Co-、Ti-、Re-、(Al-)81非晶態(tài)合金的非晶態(tài)合金的耐蝕性耐蝕性82 非晶中沒(méi)有晶界、沉淀相相界、位錯(cuò)等容易引起局非晶中沒(méi)有晶界、沉淀相

50、相界、位錯(cuò)等容易引起局部腐蝕的部位，也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分部腐蝕的部位，也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析，所以非晶合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比晶態(tài)合金偏析，所以非晶合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比晶態(tài)合金更均勻，具有更高的抗腐蝕性能。更均勻，具有更高的抗腐蝕性能。 含含Cr的鐵基、的鐵基、Co基和鎳基金屬玻璃，特別是其中含基和鎳基金屬玻璃，特別是其中含有有P等類(lèi)金屬元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐等類(lèi)金屬元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐蝕能力。蝕能力。 不銹鋼不銹鋼在含有氯離子的溶液中，易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、晶間在含有氯離子的溶液中，易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕，甚至應(yīng)力腐蝕和氫脆。而非晶態(tài)的腐蝕，甚至應(yīng)力腐

51、蝕和氫脆。而非晶態(tài)的Fe-Cr合金合金可以彌補(bǔ)不銹鋼的這些不足。含可以彌補(bǔ)不銹鋼的這些不足。含8%Cr的鐵基非晶的鐵基非晶態(tài)合金在各種介質(zhì)中都顯示出其優(yōu)越的抗蝕特性，如態(tài)合金在各種介質(zhì)中都顯示出其優(yōu)越的抗蝕特性，如在在1mol的鹽酸溶液中，在的鹽酸溶液中，在30下浸泡下浸泡168小時(shí)后，小時(shí)后，F(xiàn)e70Cr10P13C7和和Fe65Cr10Ni5P13C7非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金的腐蝕速度為零，而晶態(tài)的的腐蝕速度為零，而晶態(tài)的18-8不銹鋼腐蝕速率則為不銹鋼腐蝕速率則為10mm/年。年。實(shí)例非晶態(tài)合金和晶態(tài)不銹鋼在非晶態(tài)合金和晶態(tài)不銹鋼在10%FeCl310H2O溶液中的腐蝕速率溶液中的腐蝕速率試

52、樣試樣腐蝕速率腐蝕速率/mma-14060晶態(tài)不銹鋼晶態(tài)不銹鋼 18Cr-8Ni 17Cr-14Ni-2.5Mo非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金 Fe72Cr8P13C7 Fe70Cr10P13C7 Fe65Cr10Ni5P13C717.750.00000.0000120.029.240.00000.00000.0000富富CrCr、CuCu非晶層非晶層 影響非晶態(tài)合金耐蝕性的重要因素是合金成分。影響非晶態(tài)合金耐蝕性的重要因素是合金成分。 Cr對(duì)改善非晶態(tài)合金的耐蝕性非常顯著，此外還有P. P的作用是促進(jìn)防腐蝕薄膜形成；Cr作用是形成防腐蝕保護(hù)膜。 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金耐蝕性好的主要原因是能迅速形成致密、

53、耐蝕性好的主要原因是能迅速形成致密、均勻、穩(wěn)定的高純度均勻、穩(wěn)定的高純度Cr2O3鈍化膜。此外，非晶態(tài)合鈍化膜。此外，非晶態(tài)合金組織結(jié)構(gòu)均勻，不存在晶界、位錯(cuò)、成分偏析等腐金組織結(jié)構(gòu)均勻，不存在晶界、位錯(cuò)、成分偏析等腐蝕形核部位，不易產(chǎn)生點(diǎn)蝕。蝕形核部位，不易產(chǎn)生點(diǎn)蝕。 晶體晶體非晶非晶非晶合金的非晶合金的物理性能物理性能88 非晶是一種短程有序密排結(jié)構(gòu)，與長(zhǎng)程有序的晶態(tài)非晶是一種短程有序密排結(jié)構(gòu)，與長(zhǎng)程有序的晶態(tài)密排結(jié)構(gòu)相比，密排結(jié)構(gòu)相比，非晶合金的密度一般比成分相近的非晶合金的密度一般比成分相近的晶態(tài)合金低晶態(tài)合金低1-2。Fe88B12合金在晶態(tài)時(shí)密度為合金在晶態(tài)時(shí)密度為7.52g/cm

54、3，在非晶態(tài)時(shí)密度為，在非晶態(tài)時(shí)密度為7.45g/cm3。 非晶合金具有很高強(qiáng)度、硬度、耐磨性能和韌性，非晶合金具有很高強(qiáng)度、硬度、耐磨性能和韌性，在彎曲、壓縮狀態(tài)時(shí)有很好的延性，但拉伸延性、在彎曲、壓縮狀態(tài)時(shí)有很好的延性，但拉伸延性、疲勞強(qiáng)度很低，所以疲勞強(qiáng)度很低，所以一般不能單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料一般不能單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料。許多成分的金屬玻璃經(jīng)適當(dāng)晶化處理后，綜合力學(xué)許多成分的金屬玻璃經(jīng)適當(dāng)晶化處理后，綜合力學(xué)性能會(huì)有很大提高。性能會(huì)有很大提高。密度密度塊狀非晶晶化后密度增加 0.30.54%（單輥技術(shù)制備的非晶薄帶 23%） 更小的密度增加比率塊體非晶更為密堆更為密堆的結(jié)構(gòu)組元原子重排被抑制原子

55、擴(kuò)散能力降低，黏度增加結(jié)晶相生長(zhǎng)困難更為密堆的結(jié)構(gòu)組元原子被固液界面俘獲頻率降低結(jié)晶形核率降低 黏度是描述過(guò)冷熔體動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)。 黏度增加原子重排需要的時(shí)間增加，過(guò)冷熔體的黏度達(dá)到10131015Pas，原子被冷凍住不能發(fā)生重排非晶態(tài)。 黏度測(cè)量方法（平板流動(dòng)法、三點(diǎn)彎曲法）黏度黏度通過(guò)施加外力F，然后測(cè)量平板間距離h隨時(shí)間的變化，可得到黏度。（a平板半徑）結(jié)構(gòu)弛豫94熱學(xué)性能熱學(xué)性能 非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，是溫度敏感材料。非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，是溫度敏感材料。 如果材料的晶化溫度較低，非晶態(tài)合金更不穩(wěn)定如果材料的晶化溫度較低，非晶態(tài)合金更不穩(wěn)定，有些甚至在室溫時(shí)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。，有些甚至在

56、室溫時(shí)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。非晶的熱處理非晶的熱處理 比熱容比熱容 （計(jì)算結(jié)構(gòu)弛豫焓） 熱膨脹熱膨脹 金屬玻璃在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，都顯示出很低的熱膨脹系數(shù)，并且經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，還可進(jìn)一步降低非晶合金在室溫下的熱膨脹系數(shù)。非晶合金非晶合金-195- -100-100-00-5050-100100-200200-300Fe72Co18Zr10(3001慢冷慢冷)3.20.120.120.120.120.12Fe72Ni18Zr10(急冷狀態(tài)急冷狀態(tài))8.00.10-0.15-0.15-0.15-0.25Fe68Co17V5Zr10(急冷狀態(tài)急冷狀態(tài))4.80.11000-1.1幾種非晶合金的熱膨脹系數(shù)

57、幾種非晶合金的熱膨脹系數(shù)(10-6/)大塊非晶的熱膨脹曲線(xiàn) 熱膨脹突變點(diǎn)確定玻璃轉(zhuǎn)變溫度電學(xué)性能電學(xué)性能 非晶具有長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，在金屬非晶具有長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，在金屬-類(lèi)金屬非晶合金中類(lèi)金屬非晶合金中含有較多的類(lèi)金屬元素，對(duì)電子有較強(qiáng)的散射。含有較多的類(lèi)金屬元素，對(duì)電子有較強(qiáng)的散射。 非晶合金一般具有較高的電阻率，非晶合金一般具有較高的電阻率，是相同成分晶態(tài)是相同成分晶態(tài)合金電阻率的合金電阻率的2-3倍，電阻溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小。倍，電阻溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小。合金合金電阻率電阻率(.cm)電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)(10-6/K)晶態(tài)晶態(tài)Cu1.724330Cu55Ni4549.0Ni80Cr201

58、0370非晶態(tài)非晶態(tài)Cu77Ag8P15136-120Ni68Si15B171520Cu0.6Zr0.4350-90某些晶態(tài)及非晶態(tài)合金的電阻率和電阻溫度系數(shù)某些晶態(tài)及非晶態(tài)合金的電阻率和電阻溫度系數(shù)100 許多非晶許多非晶(如如Nb-Si，Mo-Si-B、Ti-Nb-Si、W-Si-B等等)在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)還具有超導(dǎo)性能。在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)還具有超導(dǎo)性能。 具有超導(dǎo)性能的非晶合金可制成具有良好力學(xué)性具有超導(dǎo)性能的非晶合金可制成具有良好力學(xué)性能的薄帶，為開(kāi)展超導(dǎo)研究和應(yīng)用研究提供有利能的薄帶，為開(kāi)展超導(dǎo)研究和應(yīng)用研究提供有利條件條件。 在在非晶中形成彌散的第二相也可使臨界溫度、電非晶中形

59、成彌散的第二相也可使臨界溫度、電流密度等超導(dǎo)性能得到提高。流密度等超導(dǎo)性能得到提高。 Zr65Nb15B20非晶合金經(jīng)適當(dāng)退火產(chǎn)生部分晶化，非晶合金經(jīng)適當(dāng)退火產(chǎn)生部分晶化，在基體上形成許多微小晶粒，合金超導(dǎo)臨界溫度在基體上形成許多微小晶粒，合金超導(dǎo)臨界溫度提高提高2倍。倍。l非晶態(tài)合金的電阻溫度系數(shù)（非晶態(tài)合金的電阻溫度系數(shù)（ ）比晶態(tài)合金）比晶態(tài)合金的的小。小。多數(shù)非晶態(tài)合金具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨溫多數(shù)非晶態(tài)合金具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻率連續(xù)下降。溫度系數(shù)為零的非晶態(tài)合金度升高電阻率連續(xù)下降。溫度系數(shù)為零的非晶態(tài)合金在一些儀表測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。在一些儀表測(cè)量中具有廣

60、闊的應(yīng)用前景。 dTd1Zr48Nb8Cu12Fe8Be24非晶合金電阻隨非晶合金電阻隨溫度變化溫度變化103磁學(xué)性能磁學(xué)性能 部分非晶合金具有良好的鐵磁性能部分非晶合金具有良好的鐵磁性能。 非晶合金中沒(méi)有晶界，一般也沒(méi)有沉淀相粒子等障非晶合金中沒(méi)有晶界，一般也沒(méi)有沉淀相粒子等障礙對(duì)磁疇壁的釘扎，所以礙對(duì)磁疇壁的釘扎，所以非晶合金很容易磁化，矯非晶合金很容易磁化，矯頑力極低。頑力極低。 金屬玻璃經(jīng)部分晶化后產(chǎn)生的極細(xì)晶粒可作為磁疇金屬玻璃經(jīng)部分晶化后產(chǎn)生的極細(xì)晶?？勺鳛榇女牨诜蔷鶆蛐魏嗣劫|(zhì)，細(xì)化磁疇，獲得比晶態(tài)軟磁合壁非均勻形核媒質(zhì)，細(xì)化磁疇，獲得比晶態(tài)軟磁合分更好的高頻分更好的高頻(100k