非晶合金文档

材料科学前沿讲座非晶合金学习报告摘要：通过学习了解非晶合金相关知识，本文主要总结了非晶合金的结构，制备，性能及应用，对其未来应用前景进行了展望。

关键词：非晶态合金材料非晶态合金俗称“金属玻璃”。

以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。

非晶态合金与金属相比，成分基本相同，但结构不同，引起二者在性能上的差异。

1960年，美国加州理工学院的P.杜威兹教授在研究Au-Si 二元合金时，以极快的冷却速度使合金凝固，得到了非晶态的Au-Si合金。

这一发现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的性能：高强度，良好的软磁性及耐腐蚀性能等，使它一出现就引起了人们极大的兴趣。

随着快速淬火技术的发展，非晶态合金的制备方法不断完善。

1.1非晶合金的结构研究非晶态材料结构所用的实验技术目前主要沿用分析晶体结构的方法，其中最直接、最有效的方法是通过散射来研究非晶态材料中原子的排列状况。

由散射实验测得散射强度的空间分布，再计算出原子的径向分布函数，然后，由径向分布函数求出最近邻原子数及最近原子间距离等参数，依照这些参数，描述原子排列情况及材料的结构。

目前分析非晶态结构，最普遍的方法是X射线射及电子衍射，中子衍射方法也开始受到重视。

近年来还发展了用扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)的方法研究非晶态材料的结构。

这种方法是根据X射线在某种元素原子的吸收限附近吸收系数的精细变化，来分析非晶态材料中原子的近程排列情况。

EXAFS和X 射线衍射法相结合，对于非晶态结构的分析更为有利。

利用衍射方法测定结构，最主要的信息是分布函数，用来描述材料中的原子分布。

双体分布函数g(r)相当于取某一原子为原点(r= 0)时，在距原点为r处找到另一原子的几率，由此描述原子排列情况。

图1-1为气体、固体、液体的原子分布函数图1-1 气体、固体、液体的原子分布函数径向分布函数24)()(r r g V N r J π⋅⋅=其中为原子的密度V N 。

根据g (r )-r 曲线，可求得两个重要参数：配位数和原于间距。

从图中可以看出，非晶态的图形与液态很相似但略有不同，而和完全无序的气态及有序的晶态有明显的区别。

这说明非晶态在结构上与液体相似，原子排列是短程有序的；从总体结构上看是长程无序的，宏观上可将其看作均匀、各向同性的。

非晶态结构的另一个基本特征是热力学的不稳定性，存在向晶态转化的趋势，即原子趋于规则排列。

1.2 非晶态材料的制备1.2.1 非晶态形成条件原则上，所有的金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。

也就是说，只要冷却速度足够快，使熔体中原子来不及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。

但实际上，要使一种材料非晶化，还得考虑材料本身的内在因素，主要是材料的成分及各组元的化学本质。

如大多数纯金属即使在106K ／s 的冷速下也无法非晶化，而在目前的冷却条件下，已制成了许多非晶态合金。

对于一种材料，需要多大的冷却速度才能获得非晶态，或者说，根据什么可以判断一种材料在某一冷却速度下能否形成非晶态，这是制备非晶态材料的一个关键问题。

目前的判据主要有结构判据和动力学判据。

结构判据是根据原子的几何排列，原子间的键合状态，及原子尺寸等参数来预测玻璃态是否易于形成；动力学判据考虑冷却速度和结晶动力学之间的关系，即需要多高的冷却速度才能阻止形核及核长大。

根据动力学的处理方法，把非晶态的形成看成是由于形核率和生长速率很小，或者看成是在一定过冷度下形成的体结晶分数(结晶的体积分数)非常小(小于10-6)的结果。

这样，可以用经典的结晶理论来讨论非晶态的形成，并定量确定非晶态形成的动力学条件。

图1-2 纯Ni，Au77.8Ge13.8Si8.4，Pd82Si18，Pd77.5Cu6Si16.5的C曲线如图1-2，做出金属及合金的等温转变图(TTT图,即Time-Temperature- Transformation时间-温度-转变) ，由于TTT图通常呈“C”形状,所以也称C曲线。

C曲线的左侧为非晶态区，当纯金属或合金从熔化状态快速冷却时，只要能避开C曲线的鼻尖便可以形成非晶态。

从图中可以看出，不同成分的合金，形成非晶态的临界冷却速度是不同的。

临界冷却速度从TTT图可以估算出来Rc = (T m-T n)／t n式中T m为熔点，T n，t n分别为C曲线鼻尖所对应的温度和时间。

研究表明，合金中组元间电负性及原子尺寸大小与非晶态的形成有很大关系。

组元间电负性及原子尺寸相差越大(10％~20％)，越容易形成非晶态。

在相图上，成分位于共晶点附近的合金，其Tm一般较低，即液相可以保持到较低温度，而同时其玻璃化温度Tg随溶质原子浓度的增加而增加，令∆T = Tm-Tg，∆T随溶质原子的增加而减小，有利于非晶态的形成。

合金非晶态的形成倾向与稳定性通常用ΔT＝Tm－Tg或ΔTx＝Tx－Tg来描述，其中Tm、Tg和Tx分别为熔点、玻璃化温度和晶化温度，ΔT减小时，获得非晶态的几率增加，容易形成非晶态，因此，提高非晶转变温度Tg或降低熔点Tm都有利于非晶态的形成；若玻璃转变温度Tg保持不变，晶化温度Tx增高将使非晶态的稳定性增加。

1.2.2非晶态合金的制备方法要获得非晶态，最根本的条件是要有足够快的冷却速度。

为了达到一定的冷却速度，已经发展了许多技术，不同的技术，其非晶态形成过程又有较大区别。

制备非晶态材料的方法可归纳为三大类：(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。

利用这种方法，非晶态材料的生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；(2)由液态快速淬火获得非晶态固体，是目前应用最广泛的非晶态合金的制备方法；(3)由结晶材料通过辐照、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料；用激光或电子束辐照金属表面，可使表面局部熔化，再以4×104～5×106K／s的速度冷却，可在金属表面产生400μm厚的非晶层。

离子注入技术在材料改性及半导体工艺中应用很普通。

另外，非晶态合金的制备方法还有以下几种：气体雾化法：是大规模生产非晶粉末的方法。

通过高速气体流冲击金属液流使其分散为微细液滴，从而实现快速凝固。

化学法：将金属盐水溶液和硼氢化钾溶液混合，发生化学还原反应，可以制备Fe-B、FeNi-B等超细非晶合金微粒。

固态反应法：包括离子注入法、扩散退火法、吸氢法和机械合金化法。

固态反应法进一步扩大了非晶合金的形成和应用范围。

近年来非晶态粉末的制备引起人们极大的兴趣。

一方面，非晶态粉末本身可以制成催化剂或贮氢材料；另一方面，利用非晶态粉末，经一定方法(爆炸成型，模锻，温锻等)压结，可以制成非晶态块材，使非晶态材料在工程上的应用领域进一步拓宽。

如已经用爆炸成型法制成尺寸为250×50×3mm块材，只是块材的性能较带线有所下降，而且成型技术也有待于进一步完善。

1.3非晶态合金的性能及应用非晶态合金自60年代出现以来，由于其性能上的特点，引起人们极大的研究兴趣。

目前，非晶态合金已进入应用领域，尤其是作为软磁材料，有着相当广泛的应用前景。

下面结合非晶态材料的性能特点，介绍一下其主要应用。

1.3.1 力学性能表1-1列出了几种非晶态材料的机械性能指标。

表1-1非晶态合金的机械性能由表中可以看出，非晶态材料具有极高的强度和硬度，其强度远超过晶态的高强度钢。

表中σf／E的值是衡量一种材料达到理论强度的程度，一般金属晶体材料，σf／E ≈1／500，而非晶态合金约为1／50，材料的强度利用率大大高于晶态金属；此外，非晶态材料的疲劳强度亦很高，钴基非晶态合金可达1200MPa。

非晶态合金的延伸率一般较低，如表4-3，但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40％，轧制下可达50％以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很小曲率半径而不折断。

非晶态合金变形和断裂的主要特征是不均匀变形，变形集中在局部的滑移带内，使得在拉伸时由于局部变形量过大而断裂，所以延伸率很低，但同时其他区域几乎没有发生变形。

在改变应力状态的情况下，可以达到高的变形率(如压缩)。

此外，制备时的冷却速度和相关的热处理工艺对非晶合金的延性与韧性有重要影响。

非晶态合金的高强度、高硬度和高韧性可以被利用制做轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维；用非晶态合金制成的刀具，如保安刀片，已投入市场。

另一方面，利用非晶态合金的机械性能随电学量或磁学量的变化，可制做各种元器件，如用铁基或镍基非晶态合金可制做压力传感器的敏感元件。

1.3.2软磁特性非晶态合金由于其结构上的特点——无序结构，不存在磁晶各向异性，因而易于磁化；而且没有位错、晶界等晶体缺陷，故磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低、损耗小，是理想的软磁材料。

目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基，铁-镍基和钴基三大类，表1-2列出其成分及性能，同时，可与晶态软磁合金的相关性能数据作比较。

金属玻璃在磁性材料方面的应用主要是作为变压器材料、磁头材料、磁屏敝材料、磁致伸缩材料及磁泡材料等。

表1-2非晶态合金的软磁特性1.3.3耐蚀性能晶态金属材料中，耐蚀性较好的是不锈钢。

但不锈钢在含有侵蚀性离子(如卤素离子)的溶液中，一般要发生点腐蚀和晶间腐蚀。

非晶态合金在中性盐溶液和酸性溶液中的耐蚀性要比不锈钢好得多。

如表1-3，在FeCl3溶液中非晶态合金的耐蚀性明显好于不锈钢表1-3 非晶态合金和晶态不锈钢在10％FeCl3·10H2O溶液中的腐蚀速率非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高，能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。

目前对耐蚀性能研究较多的是铁基、镍基、钴基非晶态合金，其中大都含有铬。

如Fe70Cr10P13C7，Ni-Cr-P13B7等。

利用非晶态合金的耐蚀性，用其制造耐腐蚀管道、电池的电极、海底电缆屏蔽、磁分离介质及化工用的催化剂、污水处理系统中的零件等都已达到实用阶段。

1.3.4其它性能及应用非晶态材料在室温电阻率较高，比一般晶态合金高2~3倍，而且电阻率与温度之间的关系也与晶态合金不同，变化比较复杂，多数非晶态合金具有负的电阻温度系数。

非晶态合金还具有良好的催化特性，如用Fe20Ni60B20作为CO氢化反应的催化剂。

除上述内容，非晶态材料还有一些其它特性及应用，如表1-4表1-4 非晶合金的主要特性1.4应用前景非晶合金因其优异的耐磨性能、良好的软磁性，以及磁损耗低的特点，近年来得到迅速发展，获得了广泛的应用，是电力电子、计算机、通讯等高新技术领域的关键材料，并被称为21世纪的新型功能材料。

（1）电力系统领域：电力互感器、漏电开关互感器、配电变压器、开关电源变压器等。