第六講-非晶合金01.ppt

1、1、第六屆非晶合金Amorphous Alloy，主要內(nèi)容是非晶合金的發(fā)展非晶合金的結(jié)構(gòu)非晶合金的性能非晶合金的制造非晶合金的應(yīng)用，2、自然界的各種物質(zhì)根據(jù)物理狀態(tài)分為有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)。 晶體是典型的有序結(jié)構(gòu)，氣體、液體和非晶固體都是無序結(jié)構(gòu)。 由于人們最初認識到的非晶固體是玻璃等非金屬物質(zhì)，因此玻璃在一定程度上成為了非晶材料的代名詞。 3、石英、玻璃、1970年，杜威茨創(chuàng)立了快速凝固技術(shù)，由Au-Si合金熔液制成非晶合金，非晶的概念首次與固體金屬和合金結(jié)合，用金屬玻璃(metallic glass )表示非晶合金。 隨著更多非晶合金的發(fā)現(xiàn)及其所具有的各種獨特性能的揭示，非晶不僅作為合金在快

2、速凝固中出現(xiàn)的準穩(wěn)定相，也成為重要的功能材料。 4、非晶合金帶材、非晶合金的發(fā)展，5，5，1845年，沃茨將鎳磷化物溶液分解在鐵基體上得到鎳沉積物，該沉積物可能是人類首次得到的非晶金屬，但是由于當時沒有發(fā)現(xiàn)x射線衍射技術(shù)歷史上關(guān)于非晶合金的最初報告是1934年克拉莫德蒸發(fā)沉積制作的。 1947年，布倫利等人通過電解和化學沉積得到了Nip和cop的非晶薄膜，發(fā)現(xiàn)其具有高硬度、耐腐蝕特性，可用作金屬表面的保護涂層，是非晶材料最早的工業(yè)應(yīng)用，但最后受到了關(guān)注。 6，6，1958年，安德森提出：當晶格無序度超過一定的臨界標準時，固體中電子的長距離擴散將消失。 同年，在美國阿爾弗雷德首次召開了非晶固體國

3、際會議。 從此，非晶物理和材料的研究成為材料科學的重要分支。 1960年，古貝蒙維理論上預(yù)示非晶固體具有強磁性：晶體固體的電子帶向液體轉(zhuǎn)移時基本形式?jīng)]有變化。 這意味著帶結(jié)構(gòu)依賴于短過程而不是長過程，電子之間的交換作用與短過程有關(guān)，與晶格結(jié)構(gòu)沒有必然關(guān)系。 因此，短程序的非晶固體應(yīng)該具有強磁性。 7、7、7,1965年，馬德和諾威在真空沉積的Co-Au合金薄膜中發(fā)現(xiàn)了非晶鐵磁性。 1970年，杜韋斯等人用噴槍法將70%Au-30%Si液態(tài)金屬高速急冷制成非晶合金，這種方法使工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金成為可能。 1973年，美國生產(chǎn)磁導率和耐腐蝕性優(yōu)良的非晶鐵基合金薄帶，非晶合金的研究和應(yīng)用受到世

4、界各國的廣泛重視。 8、對非晶Fe基帶材料、我國非晶合金的研究始于七十年代中期。 1982年，中國創(chuàng)立了非晶合金品牌，批量生產(chǎn)寬50-100mm的薄帶，制作了大功率變壓器、開關(guān)變壓器等鐵心。 由非晶材料構(gòu)成的磁頭，可以用于錄音、錄像的各種傳感器中使用的非晶線圈、薄帶以及薄膜也研究開發(fā)成功，非晶薄膜在用于磁記錄技術(shù)方面也取得了很大的成果。 9、非晶磁頭、非晶合金的結(jié)構(gòu)特點，10、非晶和晶體都是氣體、液體凝固的，冷卻速度不同所形成的結(jié)構(gòu)也有很大差異。 晶體是典型的有序結(jié)構(gòu)，原子有規(guī)律地排列在晶格上形成對稱性的非晶態(tài)和氣體、液體是結(jié)構(gòu)上無序的結(jié)構(gòu)，充分快速的冷卻會引起液體的連續(xù)轉(zhuǎn)變，形成非晶固體。1

5、1、晶體、非晶、氣體、晶體、非晶、氣體原子的排列圖像、非晶原子的排列狀態(tài)與液體原子相似，但液體分子容易滑動，粘性系數(shù)小的非晶固體分子不能滑動，粘性系數(shù)是液體的約1014倍， 具有大剛度和固定形狀的液體原子隨機排列，除了局部結(jié)構(gòu)的起伏，幾乎完全無序混亂的非晶排列紊亂并非完全紊亂，而是破壞了長距離秩序的周期性和平移對稱性，形成了有缺陷的不完全秩序，即最近或局部的短距離秩序(一些。 12、非晶材料在微觀結(jié)構(gòu)上存在小區(qū)之間的短程有序，鄰近或下一個鄰近原子鍵有一定的有序性，但具有無長程有序的基本特征。 隨著溫度上升，非晶材料發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，是準穩(wěn)定材料的一種。 為了從準穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到自由能最低的穩(wěn)定

6、狀態(tài)，需要克服一定的能壘，因此準穩(wěn)定狀態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)可以長期穩(wěn)定存在的溫度超過一定值Tc (結(jié)晶化溫度)時，發(fā)生穩(wěn)定化轉(zhuǎn)移，形成結(jié)晶合金。 13、非晶結(jié)構(gòu)的準穩(wěn)定性不僅包括溫度達到Tc以上時產(chǎn)生的結(jié)晶化，還包括低溫加熱時產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)弛豫。 在低于結(jié)晶化溫度Tc的退火時，非晶合金內(nèi)的原子的相對位置發(fā)生小的變化，非晶合金的結(jié)構(gòu)接近有序度高的理想結(jié)構(gòu)，在降低其總能量的同時，引起非晶合金密度、比熱、電阻、彈性模量等物理性能相應(yīng)的變化，將該結(jié)構(gòu)變化作為結(jié)構(gòu)緩和在退火高于結(jié)晶溫度Tc時，由于熱活化能增大，非晶合金克服穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變勢壘，形成自由能更低的結(jié)晶狀態(tài)，結(jié)晶化轉(zhuǎn)變參與原子的長距離擴散，所需的活化能高

7、于結(jié)構(gòu)緩和，非晶合金的許多物理性能也發(fā)生很大變化14、非晶態(tài)化晶體與合金熔體凝固晶體類似，也是成核和生長的過程。 結(jié)晶化是固體反應(yīng)，受原子在固相中的擴散支配，結(jié)晶化速度未凝固的結(jié)晶快的非晶在結(jié)構(gòu)上比熔體接近結(jié)晶狀態(tài)，使核結(jié)晶化時的主要電阻項(固液界面能)比凝固時(固液界面能)小，實際凝固時，形成非晶有可能形成幾個細小的晶粒，它們在結(jié)晶化時成為不均勻核介質(zhì)，非晶中的夾雜物、自由表面等能夠以不均勻核方式進行結(jié)晶化。 非晶化時的成核率高，結(jié)晶化后的晶粒非常小，15、非晶合金的結(jié)構(gòu)緩和和結(jié)晶化都是亞穩(wěn)定非晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時發(fā)生的相應(yīng)變化。 非晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要決定合金組成要素的種類和含量：組成要素的

8、種類和含量的變化改變原子鍵強度和短程有序的程度。 凝固冷速：冷速越高，金屬玻璃的自由能越高，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越低，越容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)緩和和結(jié)晶化，選擇適當?shù)哪汤渌賹τ诒ＷC非晶質(zhì)穩(wěn)定性越重要。 構(gòu)成熵大的合金的結(jié)晶化活化能越大，結(jié)構(gòu)緩和和結(jié)晶化所需要的能量越高，非晶結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。 中子照射使極細晶粒非晶化，去除結(jié)晶時的不均勻核介質(zhì)，提高非晶合金的穩(wěn)定性。 16、非晶合金的性能，17、非晶中原子有強鍵，特別是金屬系金屬非晶中的原子鍵遠強于一般的非晶合金，非晶合金中的原子排列長程無序，缺乏周期性，合金受力時不產(chǎn)生滑動的非晶合金、18、強度、硬度和剛度、高強度非晶材料、金屬玻璃的強度、硬度和彈性模量、19

9、、部分非晶合金的強度超過高強度馬氏體強度鋼(s約2GPa )，強度最高的Fe80B20的屈服強度與冷拉鋼絲基本相同。金屬玻璃在室溫強度和硬度好的同時，耐磨性也好，在相同的試驗條件下以與WCrCo耐磨合金幾乎相同的速度磨損。 20、韌性和延展性、非晶合金不僅具有高強度和硬度，而且與脆性無機玻璃完全不同，具有良好的韌性，在一定的受力條件下也具有良好的延展性。 Fe80B20非晶合金的斷裂韌性可達到12MPa.m-1/2，遠高于強度相近的其他材料的韌性，約比石英玻璃的斷裂韌性高兩位數(shù)。 21、彈性非晶、金屬玻璃的塑性與外力的方向有關(guān)。 處于壓縮、剪切、彎曲狀態(tài)時，非晶合金具有優(yōu)良的延展性，壓縮伸長率

10、達到40，軋制時的壓下率即使在50以上也不發(fā)生斷裂，薄帶對彎曲到180度一般也不斷裂。 非晶合金在拉伸應(yīng)力條件下的伸長率低，一般只有約0.1%。 非晶合金因外力應(yīng)變不均勻，疲勞應(yīng)力作用時疲勞裂紋容易成核，疲勞壽命低。 22、密度、非晶是短程有序的密排結(jié)構(gòu)，與長程有序的晶態(tài)密排結(jié)構(gòu)相比，非晶合金的密度比成分接近的晶態(tài)合金低1-2。 Fe88B12合金在結(jié)晶狀態(tài)下的密度為7.52g/cm3，在非結(jié)晶狀態(tài)下的密度為7.45g/cm3。 非晶合金具有高強度、硬度、耐磨性能和韌性，在彎曲、壓縮狀態(tài)下具有良好的延展性，但由于拉伸性、疲勞強度低，一般不能單獨作為結(jié)構(gòu)材料使用。 多種成分的金屬玻璃經(jīng)過適當?shù)慕Y(jié)

11、晶處理后，綜合力學性能大大提高。 23、熱學性能、非晶合金處于準穩(wěn)定狀態(tài)，是溫度敏感材料。 材料的結(jié)晶化溫度低的話，非晶合金會變得更不穩(wěn)定，室溫下也會轉(zhuǎn)變。 24、非晶熱處理、金屬玻璃在相當寬的溫度范圍內(nèi)，均顯示出低熱膨脹系數(shù)，并且經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，可以進一步降低非晶合金在室溫下的熱膨脹系數(shù)。 25、一些非晶合金的熱膨脹系數(shù)(10-6/)、電性能、非晶具有較長的無序結(jié)構(gòu)，金屬-類金屬非晶合金中含有許多類金屬元素，對電子有較強的散射。 像非晶合金那樣具有高電阻率，是相同成分的結(jié)晶合金的電阻率的23倍，電阻溫度系數(shù)比結(jié)晶合金小。 26、一些晶態(tài)和非晶合金的電阻率和電阻溫度系數(shù)、磁學性能，一些非晶合

12、金具有良好的鐵磁性能。 由于非晶合金沒有晶界，一般沒有沉淀相粒子等障礙地固定在磁壁上，因此非晶合金容易磁化，矯頑力極低。 非晶合金部分結(jié)晶化后產(chǎn)生的極細晶粒作為磁壁不均勻形核介質(zhì)，能夠使磁區(qū)微細化，得到比結(jié)晶軟磁性耦合成分更優(yōu)異的高頻(100kHz )軟磁性能。 一些鐵基非晶合金(例如，Co-Fe-B-Si )在寬頻率范圍內(nèi)具有高導磁率。 27、一些非晶合金的軟磁性特性，28、一些非晶永磁合金經(jīng)晶化處理后永磁性能大大改善。 大多數(shù)鐵基稀土類非晶合金結(jié)晶化時，矯頑力增加23位數(shù)以上，具有優(yōu)異的永久磁鐵性能。 NdFeB非晶合金經(jīng)過結(jié)晶化熱處理，控制應(yīng)變織構(gòu)的方向后，最大磁能積達到55MGOe，是

13、目前永磁合金磁能積的最高水平之一。 29、由于化學性能、非晶中沒有晶界、沉淀相界、位錯等容易引起局部腐蝕的部位，也沒有容易出現(xiàn)結(jié)晶合金的成分偏析，因此非晶合金的結(jié)構(gòu)和成分都比結(jié)晶合金均勻，具有更高的耐腐蝕性。 含有Cr的Fe基、Co基和Ni基非晶合金，特別是含有p等金屬元素的非晶合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。 Cr可以形成防腐蝕保護膜，p可以促進防腐蝕保護膜的形成，30、非晶合金和晶態(tài)不銹鋼在10-10H2O溶液中的腐蝕速度，31、非晶合金的制造方法，32、非晶合金薄片，杜貝茨首先用噴槍法形成非晶薄片將少量合金放入底部有小孔的石墨坩堝中，通過感應(yīng)加熱或電阻加熱使其在惰性氣體中熔融。合金熔液的表面張

14、力高，不會從小孔中漏出。 之后利用沖擊波使熔體從小孔迅速噴出，在冷卻基板上形成薄膜。 噴槍法冷卻速度高達106-108K/s，寬約10mm、長20-30mm、厚20-50m的非晶薄片，33、噴槍法可以制作非晶合金薄片的圖像，活塞砧法也可以制作非晶薄片34、利用活塞法的非晶合金薄片的示意圖、非晶合金粉的調(diào)制、向小滴噴涂合金液霧化，如圖(a )所示，氣流本身是淬火制冷劑，代替氣體而將液體(水等)作為淬火介質(zhì)使用，雖然也能夠提高冷速，但也能夠得到氣體和液體的噴流同時使用，如圖(b )所示，氣體淬火小粒子，大粒子從液體提供高冷速，平均冷速達到105-106K/s。 35、非晶合金粉末的制備可以通過(a

15、 )氣體霧化、(b )氣流霧化、非晶合金薄帶的制備、單輥急冷法和雙輥急冷法制備非晶帶材。 從直徑0.2-0.5mm的石英噴嘴用惰性氣體噴出液態(tài)合金，在高速旋轉(zhuǎn)(2000-10000r/min )的金屬輥表面或一對輥之間連續(xù)噴射，液態(tài)合金因急冷而變?yōu)榉蔷B(tài)狀態(tài)。 36、非晶帶的制造方法(a )單輥離急冷(b )雙輥急冷軋制、非晶合金的應(yīng)用、37、非晶軟磁元件、變壓器高功率變壓器總是希望使用磁感應(yīng)強度高、矯頑力低、損耗小的材料。 變壓器的使用量特別多，要求原材料成本也低。 另外，所用材料還要求延展性好、加工容易、尺寸精度高、層間絕緣性好、耐腐蝕性強。 38、大功率變壓器、非晶合金矯頑力低，外場作用

16、下容易充分磁化，同時非晶合金具有高電阻，能顯著降低渦流損耗。 將金屬玻璃用作低頻(50-60Hz )磁芯時的磁芯損耗低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等鐵基非晶合金的磁芯損耗僅為常用硅鋼板的1/3-l/5，飽和磁感應(yīng)強度等磁學性能非晶質(zhì)軟磁性，39、非晶質(zhì)磁性合金的應(yīng)用不僅能減少能量損失，而且在額定功率定時能減輕變壓器的重量，減小變壓器的尺寸。 40、變壓器用非晶鐵芯、非晶變壓器、Fe基非晶合金和坡莫合金制開關(guān)變壓器的性能比較，非晶變壓器的體積、重量顯著下降，溫度上升下降，成本減少50以上。 41、Fe基非晶合金和坡莫合金制開關(guān)變壓器的性能、磁頭、材料飽和磁感應(yīng)強度

17、大的工作頻率范圍內(nèi)導磁率高矯頑力低、電阻率高的耐磨損性和抗蝕能力強的磁特性對加工應(yīng)力不敏感，熱穩(wěn)定性好等。 42、將硬盤讀寫磁頭、非晶合金作為磁頭使用，具有非磁性結(jié)晶各向異性：結(jié)晶材料的磁結(jié)晶各向異性降低導磁率，增大矯頑力，增加滯后損耗，增大噪聲的優(yōu)點。 電阻率高：有利于減少渦流損耗。 硬度大，耐磨性能好。 耐腐蝕性高：難以兼顧結(jié)晶性材料的磁性和耐腐蝕性。 容易得到的薄帶：為了在高頻工作時減小渦電流損失，希望使材料變薄，對于要求幾微米到幾十微米的片材的結(jié)晶材料，加工困難，非晶帶的厚度一般為20-40m，適合于視頻頭的工作頻帶。 43、傳感器、非晶合金薄帶和絲材有很多優(yōu)點，適合各種傳感器的需要：有高強度和高彈性極限，可以用非晶絲材直接制作彈性環(huán)和彈簧，不需要輔助彈性材料和保護材料，制作的器件能承受較大的拉力Co基非晶合金的最大磁導率能達到106級，是高靈敏度磁傳感器的理想材料。44、用無定形膠帶纏繞環(huán)狀磁芯，沿直徑方向施加微小外力時，磁芯的磁特性會發(fā)生顯著變化。 由該磁芯構(gòu)成單芯橋多諧振蕩器，能夠?qū)?yīng)力引起的磁特性變化轉(zhuǎn)換為直流電壓輸出，成為高精度的應(yīng)力傳感器。 45、應(yīng)力傳感器、非晶Fe82Si6B12頻帶制電磁傳感器用于交通信號自動控制裝置的探頭，性能明顯優(yōu)于坡莫合金：電路電壓下降一半，勵磁電