非晶合金与准晶

非晶合金 与 准晶

1.非晶态合金的发现
长期以来，提到合金指的就是晶态合金。提到非晶 态，指的是玻璃态的硅酸盐。上个世纪六十年代，非 晶态合金的出现，改变了这种情况。 60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，用快速冷 却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非 晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的 冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、 良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材 料，获得很快发展。

2.非晶态合金的结构特征
非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。

晶态材料与非晶态材料数值密度函数随距离变 化的示意图

2.非晶态合金的结构特征
非晶态固体与晶态固体相比，结构上的最本质的差别 是不存在长程有序性。组成晶体的粒子在宏观尺度上 规则排列的周期性，就称为长程有序性。 在非晶态固体中，原子位置的空间分布并不是无规 则的，而是存在一种局域关联性，因此，在非晶态固 体中存在着极为明显的短程有序性。所谓短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性，一 般是用在任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数) 来表示。

①非晶合金具有比普通金属更高的强度。 ②非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理 性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。 ③非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀 能力。非晶态合金是均匀的多元固溶体，不 存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有 利于抗化学腐蚀。

非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。

非晶态材料是均匀、各向同性的前提下，可以用统计方法来描述其结构， 即引入径向分布函数。晶态材料的径向分布函数成δ函数形式；非晶态合 金的径向分布函数的振幅随r的增大而迅速减小。

3.非晶态的形成
抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构 使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持 稳定，不向晶态转化 在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转 变为非晶态

冷却过程中
液态金属结构上短程有序，物理性质各向同性。

非晶态合金的结构模型¾“微晶”无序模型（a）¾拓扑无序模型（b）

非晶态固体的结构可以用三种不同的模型来描述，它们分别是无规密堆积模型、连续无规网络模型和无规线团模型。

1. 无规密堆积模型

右图是描述非晶

态金属结构的最满

意的模型。这种位

形可用来代表无规

密堆积模型。

2. 连续无规网络模型

以共价键结合的非晶态固体在二维空间的模型示意图。

3. 无规线团模型

以有机高分子为基础的非晶态固体的结构模型。

3．非晶态合金的制备

要获得非晶态，必须要有足够快的冷却速度(>106K/s)，而用不同冷却技术制备非晶态合金形成过程又有较大的区别。制备方法大致可以分为三类：

（1）由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、化学气相沉积等，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；

（2）由液态快速淬火获得非晶态固体，这是目前最广的制备方法；

（3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表面产生400um厚的非晶层。

（1）过渡金属与类金属元素（例如P、S、B、C等）形

成的合金，例如Pd

80Si

20

, Au

75

Si

25

, Fe

80

B

20

, Pt

75

P

25

等，一

般类金属元素在合金含量约13%～15%（原子比），实践证明，在二元合金中若加入某些第三种元素，更容易形成非晶态材料。

（2）过渡金属元素之间形成的合金这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低，形成非晶态的成分范围较宽。例如：Cu－Ti合金，Ti含量可在33～70%之间; Ni －Zr合金，Zr的含量可在33～80%之间变化。

（3）含La系、Ac系元素的非晶态合金。

4．非晶态合金的分类

•典型的非晶态合金：

1、铁基非晶合金

2、铁镍基非晶合金

3、钴基非晶合金

4、铁基纳米晶合金（超微晶合金）

5.性能与应用

a.力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬度，

/E是衡量材料达到理强度远超过晶态高强度钢，σ

f

/E约为1/500，论强度的程度，一般金属晶态材料σ

f

而非晶态含量约为1/50，材料强度利用率大大高于晶态。另外，非晶态合金的抗疲劳度亦很高，如Co 基非晶态合金可达1200MPa。非晶态合金的延伸率一般较低，但韧性很好，变形时压缩率可达40%。