第二章非晶态合金综述

第二节
非晶态合金的制备
我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材 料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。 所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规 律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态 材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态 材料。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃 状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降， 而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶 体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝 固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用 的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢 水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速 度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水 降到200℃以下，形成非晶带材。
5 .粉末冶金技术 粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具 进行一定的工艺成型，如温挤压、 动力压实、 粉末轧制、压制烧结等技术。用粉末冶金制备 出的大块非晶合金，不仅要满足密实，而且要 避免晶化。其基本原理是利用非晶态固体在过 冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性, 施加 一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块 体。但所制设备的块体材料在纯度、致密度、 尺寸和成形等方面受到很大限制。
例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加 有效载荷。用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提 高效率，增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字 网ISDN中的变压器。非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系 统的传感器标签。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。
非晶变压器：非晶合金铁芯变压器是用新 型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压 器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指 变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗) 下降80%左右，空载电流(变压器次级开路时， 初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电 流)下降约85%，是目前节能效果较理想的配电 变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等 负载率较低的地方。
3 .熔体淬法 熔体水淬法和铜模铸造一样，属于直接凝 固的一种。水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法 结合使用。常用包覆剂，它既是吸附剂，吸附 熔体内的杂质颗粒，又是包覆剂，隔离合金熔 体，避免其与冷却器壁直接接触而诱发非均匀 形核。通过对金属熔体进行水淬就可以得到非 晶态合金棒材或丝材。
4 .抑制形核法 避免非均质形核的措施有以下几种: (1) 减少污染,提高合金元素纯度。 (2) 选用与晶核的晶体结构和点阵常数差别大 的冷却模材料。 (3) 为获得尽可能快的冷却速率,优先选择高热 导率的冷却模。 (4) 在惰性气体中熔炼和冷却。 常用的抑制形核技术有落管技术、熔融玻 璃净化技术、磁悬浮和静电悬浮及超声悬浮技 术等。这种方法由于熔体在凝固过程中不与容 器接触或软接触，从而消除了异质形核，有利 于玻璃态结构的形成。
第三节
非晶态合金的应用
非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性 能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主 的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗 的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航 空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应 用空间。非晶合金可以用来制作结构材料、精密光学材 料、工具材料及磁性材料等。
2 .铜模铸造法 该法是目前制备大块非晶合金最常用的方 法。由于铜的导热性好,故很早就用铜模来制备 大块非晶了。传统的铜模铸造是将金属液直接 浇注到金属型(铜模)中使其快速冷却获得BMG， 金属型冷却方式分为水冷和无水冷两种。浇注 方式有压差铸造、真空吸铸和挤压铸造等。试 块的形状则可以是楔形、阶梯形、圆柱形或片 状等。楔形铜模具有在单个铸锭中得到不同的 冷速,组织分析对比性强，通过非晶合金的临界 厚度可以度量合金的玻璃形成能力。
大块非晶合金的制备，通常采用以下几种制备方法：
1、 快速凝固
快速凝固是当前材料科学与工程中研究最 活跃的领域之一，熔体急冷和深过冷是实现快 速凝固的两条途径，前者以快速冷却为特征， 而后者可以是慢速冷却过程，深过冷液态金属 与急冷快速凝固过程相似，也存在两种不同的 凝固机制：一是晶体在过冷熔体中大量形核并 快速长大；二是在足够大的过冷下常规晶体形 核与长大被抑制， 液态金属凝固为准晶或非晶 态合金。与急冷快速凝固不同的是，深过冷熔 体的结晶过程一般包括快速凝固和慢速凝固两 个阶段。
第二章 非晶态合金
第一节 第二节 第三节 非晶态合金及其主要性能 非晶态合金的制备 非晶态合金的应用
第一节
非晶合金：
非晶态合金及其主要性能
由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列 结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金 的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金。
非晶合金被称为是冶金材料学的一项革命。这种非 晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、 耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦 合性能以及储氢性能等。由于它的性能优异、工艺简单， 从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。
7 .固态反应 固态反应制备大块非晶的方法是利用扩散 反应动力学对固态晶体进行各种无序化操作， 使之演变为非晶相, 从而实现由固态晶体直接 转化为固态非晶体。
8 .定向凝固铸造法 采用这种方法要控制定向凝固速率和固／ 液界面前沿液相温度梯度，而定向凝固所能达 到的理论冷却速度可通过这两个参数乘积估算， 这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品。
6 .自蔓延反应合成法 有人选取锆、铝、镍、铜元素粉末作为合 成材料，按一定的配比混制成粉末混合体。将 混合粉末压制成规格为φ80mm×7mm，相对密度 为55％的粉末压坯。将压坯置于充氩气的反应 容器内，采用连续C02激光器在压坯一端点火， 引发自蔓延反应。该合成产物主要由非晶 Zr3Al2及Zr2Cu两种类型的金属间化合物所组成， 该法是制备非晶态复合材料的可行的方法，该 法的另一优点是产品近净成型，容易进入实用 化和工业化生产。