本科生毕业设计-块体非晶合金

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材料科学进展之块体非晶合金的制备、性能及应用

块体非晶合金体系形成的三个经验性准则:
(1) 体系至少要含有三个以上组元
比如锆基非晶合金的Zr-Al-Cu、 Zr-Al-Cu-Ni及 Zr-Al-Cu-Ni-Ti体系
(2) 三个主组元元素之间的原子尺寸差异在12%以上
比如锆基非晶合金的Zr-Al-Cu、 Zr-Al-Cu-Ni及 Zr-Al-Cu-Ni-Ti体系中，主组元Zr、Al及Cu的原子尺寸差异就在12%以上
2.力学行为的最新研究结果
Pt57.5Cu14.7Ni5.3Pu22.5 BMG的应力~应变曲线（准静态压缩）、剪切带密度 [Schroers J. Physical Review Letters 2004, 93: 255506]
Cu60Zr30Ti10 BMG及(Cu60Zr30Ti10)95Ta5复合材料的应力~应变曲线（准静态压缩）、剪切带密度 [Lee J.C. Acta Materialia 2004, 52: 1525~1533]
五.块体非晶合金的性能
1.高强度及高弹性，但高的脆性（在玻璃转变温度Tg以下）
Relationship between tensile strength and Young’s modulus for bulk glassy alloys. The data of crystalline metallic alloys are also shown for comparison. [Inoue A. Mate. Sci. Eng. 2004, 375-377A: 16]
玻璃体获得的条件
1969年，美国科学家D. Turnbull预言：“如果将液体冷却得足够快及足够低，几乎所有的材料都能够制备成非晶态固体”，即“玻璃形成
能力”几乎是凝聚态物质的普遍性质。

块体非晶合金材料的性能、应用及展望

块体非晶合金材料的性能、应用以及展望引言：非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。

固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。

与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。

一、非晶合金的发展历程自1960 年加州理工学院的P.Duwez 小组采用液态喷雾淬冷法以106K/s 的冷却速率从液态急冷获得Au-Si 非晶合金以来，人们主要通过提高冷却速度的方法来获得非晶态结构。

由于受到高的临界冷却速率的限制，只能获得低维的非晶材料（非晶粉、丝、薄带等），这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。

20 世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学（Tohoku University）的T.Masumoto 和A.Inoue 等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金系列，如Mg-TM-Ln，Ln-AI-TM，Zr-AI-TM，Hf-AITM ，Ti-Zr-TM（Ln 为铡系元素，TM 为过渡族元素）。

1993 年W.L.Johnson 等人发现了具有临界冷却速率低达1K/s 的Zr 基大块非晶合金。

经过二十多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别，现在已经有6 个体系（锆基: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5， Zr55Al10Ni5Cu30；铂基：Pd40Cu30Ni10P20；钇基：Y36Sc20Al24Co20；钯基：Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5；镁基：Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11）临界尺度达到了20mm。

对非晶态的大量研究表明，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能以及磁性能。

鉴于大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能以及在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，大块非晶合金的研制就具有重要的技术和经济价值，是一个具有广阔发展前景的研究领域。

大块非晶合金

Inoue教授及其合作者总结已有大块非
晶合金形成体系的成分设计，得到以下三条经验原则： (1)大块非晶合金体系由三个或三个以上的组元构成；(2) 三个主要元素的原子尺寸差明显，且原子尺寸差比率要大于12％；(3)三个主要组元间的混合热为负值。

从拓扑学和化学的观点来看，这些多组元大块非晶合金体系的过冷液相可具有以下特征：(a)高度无序的紧密堆垛结构；(b)局部原子构型明显不同于相应的结晶相；(c)各组元长程分布均匀。具有这样微结构特征的过冷金属液相，其自由体积量少，粘度大，造成组成原子的长程扩散非常困难，同时固液界面能较高，能有效抑制晶体形核；另外，由于结晶时原子必须进行相应的长程有序重组，上述多组元合金的结构特点使得这些组元要在成分和结构上同时满足结晶相的要求十分困难，而且组元越多，这种难度越大，这就是所谓的多组元非晶合金形成的“混乱原理”。

晶态合金中只有少数几种 Ni-Cr 和MH-Cu 系具有低电阻温度系数而在非晶合金中却很多并且电阻温度系数随成分可由负变正因而能通过成分调整或热处理控制晶化程度很容易获得零电阻温度系数。

与传统的金属磁性材料相比由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高因此具有高的导磁率低的损耗是优良的软磁材料代替硅钢坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁芯互感器和传感器等可以大大提高变压器效率缩小体积减轻重量降低能耗,非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。

由于非晶合金是单向无定形结构，不存在晶界、位错和层错等结构缺陷，也没有成分偏析和第二相析出，这种组织和成分的均匀性使其具备了良好的抗局域腐蚀能力的先决条件；同时非晶态结构合金自身的活性很高，能够在表面上迅速形成均匀的钝化膜，因此非晶合金具有良好的抗腐蚀性。目前具有优良耐腐蚀性能的大块非晶合金，已成功用于工作环境恶劣的燃料电池的隔板和飞行器导向翼导轨的护套等场合。

材料科学毕业设计-PPT文档资料

• 如右图示，可以看出，随变形量的增大，TeTx呈上下反复波动变化，总体下降。也就是说，与铸态相比，轧制试样晶化过程较短，晶化速率高，这表明轧制样品比铸态有着更有序的原子结构，使其在后来加热晶化过程中晶化较为容易。
80 75 70
Te-Tx/K
65 60 55 50 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%95%
合金料
熔炼炉体
电弧
铜模水冷套
真空容器冷却水
阀门
微观结构测试 • XRD检测 • 扫描电镜分析（SEM ） • 高分辨透射电镜分析（HREM） • DSC测试
实验结果及分析
Zr60Al15Ni25非晶合金轧制后的热稳定性 • 非晶合金的稳定性分热稳定性和机械稳定性。 • 非晶合金的原子在热力学上处于亚稳态，在适当的条件下，它就要向能量较低的亚稳非晶态或平衡晶态转变。在较低的温度下，一般向较稳定的亚稳非晶态转变，这个过程称为结构驰豫。 • 非晶合金在加热过程中，首先发生玻璃化转变（吸热过程），随后发生晶化（放热过程）。一般用过冷液相区∆Tx来表征非晶合金的热稳定性。一般来说， ∆Tx越大，表明非晶合金的热稳定性越好，相应合金的玻璃形成能力（GFA）就越大。
大块非晶合金的晶化及其晶化途径
• 非晶相的吉布斯自由能高于相应的晶态相，因此非晶合金的原子在热力学上处于亚稳态，在适当的条件下（如加热或塑性变形），它就要向能量较低的亚稳非晶态或平衡晶态转变。
• 非晶合金的晶化是一个形核和长大过程，其驱动力为非晶相和结晶相之间的自由能差。 • 其晶化途径主要有加热诱导非晶合金的晶化和塑性变形诱导非晶合金的晶化
毕业设计
太原科技大学王鲁东
轧制对Zr60Al15Ni25块体非晶合金微观结构的影响

块体非晶

6、块体非晶的产业路线
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6、块体非晶的产业路线
块体非晶合金产品主要用于民用领域，军工及航空航天方面的应用很难在量上有所突破，其产业化过程中必须解决经济性、安全性和可靠性等问题。在目前技术条件下，和传统金属材料如铝镁合金、不锈钢等相比，块体非晶合金产品虽然具有性能优势，但其材料成本、制造成本以及后处理成本均相对较高；非晶合金在宏观上往往变现出脆性断裂，对于该材料的广泛使用带来了一定限制，对于承受较大载荷的结构件的使用存在安全隐患；块体非晶合金属于亚稳态材料，随时使用时间的推移，其构件性能有所下降，在设计相关构件时需要考虑材料的特殊性。
5、块体非晶重点企业
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富士康科技集团
富士康科技集团是台湾鸿海精密集团在大陆投资兴办的高新科技企业，1988年在深圳地区投资建厂，此后在中国大陆建立了30 余个科技工业园区。2007 年开始非晶材料的研发工作，中间曾中断研究。目前该公司液态金属产品主要应用在3C 领域，限于产能，仅能小批量供货。
4、块体非晶的产业链分析
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4、块体非晶的产业链分析
块体非晶产业的产业链大体上包括上游金属原材料产业和成型设备制造业，中游的块体非晶制造业，以及下游的产品市场组成。上游金属原材料产业可以细分为Zr、Al、Cu、Ni、Y、Be 等相关纯金属产业，成型设备制造业可以细分为熔炼设备制造业和块体非晶专用成型设备制造业；根据块体非晶合金的不同应用下游市场可以细分为消费电子市场、休闲体育用品市场、医疗器械市场、航空航天市场以及军工市场等等。
2、块体非晶合金材料的制备工艺
直接凝固法粉末固结成型法
热压成型法
水淬法，铜模铸造法，吸入铸造法，高压铸造法，单向熔化法等

机械毕业设计1653真空熔炉设计论文

1绪论1.1 非晶合金发展概述非晶态合金不具备长程原子有序，也叫玻璃态合金，是新型材料研究的热点之一。

非晶合金具有优异的力学性能（高的强度、硬度等），耐腐蚀性能，软、硬磁性能以及储氢性能等，在机械、通讯、航空航天、汽车工业乃至国防军事上都具有广泛的应用潜力。

因此，开发块体非晶合金成为这类材料实用化的重点。

1943年，德国物理学家Kramer用蒸发沉积的方法成功制备出了非晶态薄膜，自此，非晶的研究逐步开展。

1951年，美国物理学家Turnbull通过水银的过冷实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下而不产生形核与长大，达到非晶态，Turnbull是非晶态合金的理论奠基人。

1960年Duwe等采用熔体快速冷却方法首先制备出Au-Si非晶态合金。

1969年，Pond等用扎辊发制备出了长达几十米的非晶薄带。

20世纪70年代后，人们制备出厚度小于50µm、宽15cm的连续非晶薄带。

1974年Chen在约10³K/s的冷却速度条件下用Pd-Cu-Si熔体首次得到毫米级直径的非晶。

20世纪80年代前期，Turnbull等采用氧化物包覆技术以10K/s的冷却速度制备出厘米级的Pd-Ni-P 非晶。

20世纪80年代，A.Inoue等在日本东北大学成功发现了La-Al-Ni和La-Al-Cu等三元合金。

此后，又制备了厘米级的四元和五元块体非晶合金。

2000年Inoue课题组成功发展了高强度Cu-Zr-Hf-Ti和Co-Fe-Ta-B快体非晶合金。

2003年，美国橡树岭国家实验室Lu和Liu使Fe基非晶合金的尺寸从过去的毫米推进到厘米级，最大直径可达12mm。

此后哈工大沈军等又将Fe基快体非晶合金尺寸提高到16mm。

最近，中科院金属所的Ma等发现了尺寸可达25mm的Mg-Cu-Ag-Pd非晶态合金。

目前世界上最大的稀土基金属玻璃材料—直径为35mm的镧基金属玻璃系，由浙江大学蒋建中等研制成功。

(完整版)非晶毕业论文绪论

1.绪论虽然几千年前人类就已经开始使用金属材料了，然而在十八世纪工业革命之前，可使用的金属材料只有金、银、铜、铁、汞等十一种。

而在工业革命后的几百年里，尽管提纯、冶金技术得到了长足的发展，人类可使用的金属显著增多，但厚度达到毫米量级的块体金属材料还只局限于晶体结构。

上个世纪九十年代，科学家在实验中成功获得了多种临界尺寸在毫米量级以上的非晶合金样品。

作为一种新型材料，非晶合金不仅具有极高的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，而且还表现出了优良的磁学特性，在航空航天、精密机械以及信息等领域显示出了重要的应用价值。

【1】1.1非晶态合金非晶合金即金属玻璃，具有长程无序、短程有序的结构特点，是一种亚稳态结构，在一定温度范围内保持相对稳定的状态。

对非晶态的大量研究证实，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，并兼具了金属和玻璃的特性，具有良好的机械、物理、化学以及磁性能，在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，极具技术和经济价值。

【2】1.1.1非晶合金的形成理论从热力学上看，当金属或合金熔体发生结晶时，其体系自由能的变化如下式所示：ΔG= ΔH f－TΔS f，式中T为温度，ΔH f和ΔS f分别表示液相变为固相的焓变和熵变。

对于合金体系，若ΔG越大，则表明其过冷液体发生结晶转变的驱动力越大，则体系形成非晶态的能力越弱，反之形成非晶态的能力则強。

所以，由上式可知，降低ΔH f和增加ΔS f都可以使ΔG降低，从而增强体系的合金非晶态形成能力。

而实际上，一般选择三元或三元以上的合金系，使合金系中原子紧密无序堆积来降低ΔG，但考虑到若增加过多的合金元素会导致相图复杂，难以对其热力学和动力学进行分析，同时也不易得到共晶成分，反而不利于提高非晶态形成能力。

从动力学上看，球状结晶相在过冷液体中均匀形核和长大可用以下关系式表示：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-⎪⎭⎫ ⎝⎛=2330exp 10γγβαηT T b I ；⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--⎪⎭⎫ ⎝⎛=γγβηT T I f U exp 102 上式中I 为均匀形核率，U 为长大速率，T 为温度，T r =TT m 表示比温度，T m 表示熔点；另外，基于发现多组元合金体系，Inoue 等人提出了获得块体非晶的三个经验原则：（1）多于三种组元的多组元体系；（2）基本组元之间有大于12%的原子尺寸差；（3）基本组元之间有较大的负混合热。

本科生毕业设计块体非晶合金

本科生毕业设计块体非晶合金一、引言随着科技的不断进步，材料科学领域也在不断创新和发展。

非晶合金作为一种新型材料，因其独特的结构和性能，逐渐引起了人们的广泛。

本科生毕业设计块体非晶合金的研究，将进一步推动非晶合金的发展和应用。

二、非晶合金概述非晶合金是一种新型金属材料，其原子结构呈现出无序排列状态，不同于传统的金属材料。

这种特殊的结构使得非晶合金具有优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性等。

因此，非晶合金在许多领域都有广泛的应用前景，如航空航天、汽车、电子等。

三、本科生毕业设计块体非晶合金的研究内容在本科生毕业设计中，对块体非晶合金的研究主要包括以下几个方面：1、制备工艺研究：通过对不同成分的非晶合金进行制备工艺的研究，探索最佳的制备条件。

在实验过程中，需要对合金熔炼、冷却速度、成分控制等关键因素进行严格的控制，以获得高质量的块体非晶合金。

2、结构与性能研究：利用X射线衍射、电子显微镜等手段对块体非晶合金的内部结构进行表征，并对其力学性能、物理性能和化学性能进行测试。

通过对不同成分的非晶合金的结构和性能进行对比分析，找出性能最优的块体非晶合金。

3、形变与断裂行为研究：在本科生毕业设计中，需要对块体非晶合金的形变和断裂行为进行深入研究。

通过施加不同的应力或应变，观察非晶合金的形变过程和断裂方式，分析其变形机制和断裂机理。

4、应用研究：根据块体非晶合金的结构和性能特点，探讨其在各个领域的应用前景。

例如，在汽车领域，块体非晶合金可以用于制造发动机部件，以提高其耐腐蚀性和耐磨性；在航空航天领域，块体非晶合金可以用于制造结构件，以提高其轻量化和强度。

四、结论本科生毕业设计块体非晶合金的研究是一项具有重要意义的课题。

通过对块体非晶合金的制备工艺、结构与性能、形变与断裂行为以及应用前景进行系统的研究，可以进一步加深对非晶合金的理解，为其在各个领域的应用提供理论支持和实践指导。

通过毕业设计的过程，学生也可以提高自身的科研能力和综合素质，为未来的职业发展打下坚实的基础。

块体非晶合金的成分设计准则

块体非晶合金的成分设计准则
块体非晶合金是由非晶态金属组成的材料，其成分设计准则一般包括以下几个方面：
1. 基础金属选择：块体非晶合金的基础金属一般选择具有良好玻璃形成能力的金属，如铁、铈、钇、锆、镍等。

这些金属具有高密度和高熔点，有利于形成块体非晶合金。

2. 合金元素选择：除基础金属外，块体非晶合金还可以添加其他合金元素来调整其性能。

合金元素的选择应考虑其对材料的玻璃形成能力、稳定性和物理性能的影响。

常用的合金元素包括铜、铝、铝、钴、铬等。

3. 合金元素含量：合金元素的含量对块体非晶合金的性能有较大影响。

通常情况下，合金元素的含量应控制在一定的范围内，以防止形成晶体相。

此外，不同元素的配比也会对块体非晶合金的性能产生影响，需要进行合理的设计和调整。

4. 非晶形成能力：在成分设计中，需要考虑到材料的非晶形成能力。

通常情况下，增加金属元素的非晶形成能力可以提高块体非晶合金的玻璃形成能力。

可以通过调整合金元素的含量和添加其他合金元素来提高非晶形成能力。

块体非晶合金的成分设计准则包括基础金属选择、合金元素选择和含量控制、非晶形成能力等方面。

需要综合考虑材料的玻璃形成能力、稳定性和物理性能等因素，进行合理的设计和调整。

本科生毕业设计-块体非晶合金共41页文档

▪ 目伸率前可发以现达的到合金18中00，0%L，a5其5A应l25N变i2敏0在感过率冷系液数相接的近延1。
1.6块体非晶合金的基本性能及潜在应用领域
一些商业产品
1.7块体非晶合金作为结构材料使用的主要障碍
块体非晶合金玻璃形成能力有限，制备条件要求苛刻，制备成本过高
室温脆性一般来说,块体非晶合金在压缩时仅表现出有限的塑性流变，拉伸时几乎没有什么塑性应变产生
玻
ΔHf—T0温度下的熔化焓； ΔSf—T0温度下的熔化熵； T0 —液相与晶体相平衡的温度；
熔熔化化焓熵越越小大
璃形成能力越强
ΔCPl-s —等压比热容
以0.7Tm处为例
R.Buch,et al.Mater. Sci. Eng(2001)A304306,100
图1 几种玻璃合金的过冷液相与相应的晶化相间的Gibbs自由能差
▪ 其他因素：合金化效应、化学键能等。
2.1.3 块体非晶合金形成动力学原理
从动力学的角度看，形成非晶合金就是要抑制熔体凝固时晶体的形核和长大
均质形
形核率：
I
A
163
exp-3kBTGl2x
(1-2)
核条件
长大速度：
u3kBaT021expnkB GTlx
(1-3)
粘度η作为过冷液体最重要的动力学参数
2.1块体非晶合金形成原理
2.1.1 块体非晶合金形成热力学原理
块体非晶合金玻璃的能力等价于过冷熔体中抑制结晶的能力
过冷液态和结晶固体间的Gibbs自由能差（结晶驱动力）:
G l s(T ) H f S fT 0T T 0 C P l s(T )d T T T 0 C P lT s(T )d T(1-1)

富铜基块体非晶合金的设计、制备与性能研究

富铜基块体非晶合金的设计、制备与性能研究Cu基块体非晶合金具有优异的力学、物理及化学性能,是当前高性能先进金属材料的研究热点。

目前国内外学者对块体非晶合金,尤其是多元块体非晶合金的非晶形成能力预测方法认识还不够。

而在性能方面,现阶段的研究对于材料的塑性变形能力与合金耐腐蚀性能的研究仍不够深入。

因此,本文从Cu基块体非晶合金的成分设计入手,利用相图热力学数据,预测多元Cu基非晶合金成分的凝固过程,并依据合金化技术手段构建块体非晶合金及其复合材料,改善其塑性变形能力。

使用X射线衍射、示差扫描量热及微观组织分析表征了合金的非晶本质,同时研究合金化元素和紫外光辐照对块体非晶合金电化学腐蚀行为的影响。

通过统计Tm与Tg之间的线性关系,将非晶形成能力参数Trg=Tg/T1合理地变换成Trg=κTm/Tl+C/T1,该式反映了固相线温度Tm也是影响非晶形成能力的重要参数,同时也揭示了液相线温度Tt对非晶形成能力的重要作用。

另一方面,该将参数Trg从后验性参数转换成预测性参数,可以用于预测具有较高非晶形成能力的合金成分。

同时,该参数揭示了合金的凝固温度区间对该合金的非晶形成能力的影响规律。

根据该规律,设计并制备了多种三元Cu-Zr-Ti和Cu-Zr-Al系块体非晶合金。

本论文设计的三元Cu-Zr-Ti块体非晶合金中,Ti元素含量范围在7.5-8.5at.%之间的块体非晶合金具有较大的塑性。

Mg基大块非晶合金的制备与性能的研究

以Ｍ９６５Ｃ啦５（Ｙ，Ｏｄ）１０为基础，用传统的铜模铸造法成功地制备了Ｍｇ－Ｃｕ－（Ｚｎ，Ｂｅ，Ａｇ，）－（Ｙ，Ｇｄ）大块非晶合金，分别用Ｘ－射线衍射（ＸＲＤ）、差示扫描量热仪（ＤＳＣ）、扫描电镜（ＳＤ旧、压缩实验等观察和测试了材料的组织结构、非晶形成能力和力学性能．其中通
过添加３％一７％的盈元素，Ｍｇ－Ｃｕ－Ｚｎ－Ｙ和Ｍｇ－Ｃｕ－Ｚｎ－Ｇｄ合金的断裂强度由７００～８００
北京科技大学硕士学位论文
１文献综述
１．１块体金属玻璃的发展概况金属玻璃又称为非晶态合金，是一种从熔体冷却成固体的过程中不发生结晶过程的
金属材料。严格地来讲，金属玻璃是指固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定的温度范围保持相对稳定的合金。金属材料的应用和发展经历了漫长的岁月，在以往的几千年里，人们所使用的金属都是晶态材料。最早制备出非晶态合金的报道是在１９３４年，Ｋ＿ｒａｍｅｒ利用蒸发沉积的方法获得了非晶薄膜；１９５０年Ｂｒｅｎｎｅｒ等人采用电沉积的方法制备出了Ｎｉ－Ｐ非晶薄膜Ｉｌ】；Ｉ１９６０年美国的Ｄｕｗｅｚｔ２］等人采用熔体急冷法制备出第一块只有２０Ｉｘｍ厚的Ａｕ７５Ｓｂ非晶合金。１９７４年Ｃｈｅｎｌ３］用吸铸法制各出毫米级Ｐｄ－Ｃｕ－Ｓｉ非晶合金棒，冷却速度为１０３Ｋ／ｓ，如果把毫米级作为块体尺度的话，这是块状金属玻璃研究的重大突破和开端。过去在实验上一直没有发现能够用直接冷却的方法制成三维尺度上都达到毫米级或更大尺寸的金属玻璃体系，因此金属玻璃的应用范围没有得到扩展。从２０世纪八十年代开始，金属玻璃的研究才逐渐向大块化方向发展。１９８１年，
ＲＥ：础ｅａｒｔｈｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅａｌｌｏｙｓ．ＭＦｒｈＢＲＥ（ＴＭ：ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌａｎｄ
ｅｌｅｍｅｎｔ）ａｌｌｏｙ