非晶态材料的制备
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Fe-B-N）
4.1 概述
非晶态材料的制备
12
部分非晶态金属组成
表 2.1 部分非晶态金属组成
变压器
磁性 高频变压器 材料
Fe78B13Si9,Fe-B-C-Si,Fe-B 系,Fe-Co-Cr-B-(Si,Al)-Mn Fe-Si-B,Co-Fe-Mn-Si-B,Fe-B-Si-Cu,Fe-Cr-B-Si,Fe-Zr,Fe-Co-Cr-B-(Si ,Al),Fe-Co-B,Ni-Co 系,Fe 系
第4章 非晶态材料的制备
(Non-crystalline metals)
4.1 概述 4.2 非晶态材料的性能 4.3 非晶态材料的制备方法 4.4 非晶态材料的加工 4.6 非晶态材料的应用 4.7 展望
非晶态材料的制备
1
4.1 概述
非晶态金属（合金），也称金属玻璃， 是指非结晶状态的金属或合金。即高温熔液 以105℃/s以上的超急冷速度凝固，因而来不 及结晶而形成的结构。
太阳能电池 Bi-Se,Cd-Se
薄膜触媒
Ni-B,Ni-P,Pd-B,Pd-P,Rh-B,Pt-B
4.1 概述
非晶态材料的制备
13
4.1.4 非晶态材料的性能与应用
性能
✓ 在结晶态强度较差的合金，通过非晶态化，可提高 强度和韧性
✓ 作为软磁材料可做变压器的铁芯，其磁损耗只相当 于冷轧硅钢片的1/3
15
4.1.5 非晶态材料的发展
世界上有关非晶态合金研究的最早期报道是1934年德国 人克雷默采用蒸发沉积法制备出的非晶态合金。
1950年，他的同胞布伦纳又声称用电沉积法制备出了Ni －P非晶态合金。
1960年，美国Duwez教授发明直接将熔融金属急冷制 备出非晶态合金的方法。与此同时，苏联的米罗什尼琴 科和萨利也报道了制备非晶态合金的相似装置。
4.1 概述
非晶态材料的制备
6
冷却速度
须使金属不产生晶核也不发生晶核长大
C字型曲线
冷却速度高于 临界冷却速度 以上时，金属 不再发生结晶
4.1 概晶述体形成温度与时间的关非晶系态材料的制备
7
临界冷却速度
对于纯金属 高于1010K/s
对于某些合金 103-106K/s
4.1 概述
典型非晶态金属形成时 所需要的冷却速度
G (r ) 4 r r 0
G (r ) 是以任一原子为中心在距离r处找到其 他原子的几率，
r 是距离为r处单位体积中的原子数目，
0 为整体材料中原子平均密度。
4.1 概述
非晶态材料的制备
4
微观组织特点
• 原子排列随机 • 没有晶界和因晶界而产生的晶体缺陷 • 宏观结构各向同性 • 成分波动较小、元素组合范围较宽、
✓ 是音质好、长寿命的磁头材料 ✓ 电阻率比一般的铁基或铁镍合金高3～4倍 ✓ 非晶铁基合金具有很好的耐腐蚀性能，例如
Fe72Cr8P13C7的耐腐蚀性能优于不锈钢 ✓ 某些非晶态材料的热膨胀系数接近于零 ✓ 非晶态材料也具有良好的催化性能
4.1 概述
非晶态材料的制备
14
应用
4.1 概述
非晶态材料的制备
非晶态材料的制备
8
合金成分
非晶合金元素的重要性质
降低熔点：合金成分一般在“共晶”点附近，
使合金的熔点远低于纯金属
抑制晶格排列：抑制原子移动，阻碍晶格排列，
合金在冷却时被“冻结”成非晶
4.1 概述
非晶态材料的制备
9
Zr-Ti-Ni-Cu-Be精密器件
齿轮
凸轮
成型条件：390℃，6.5×10-4/s 齿轮约800-1000秒完成，凸轮约180秒完成
4.1 概述
非晶态材料的制备
11
4.1.3 非晶态材料的种类
到目前为止所发现的非晶态金属的种类很多
按元素的组合，大体上可以分为五种： 1）过渡金属—半金属系列（Fe-B，Ni-P） 2）过渡金属—过渡金属系列（Fe-Zr，Ni-Zr） 3）过渡金属—稀土类系列（Co-Gd、Ni-La） 4）典型金属系列（Pd-Si、Mg-Zn） 5）含有气体元素的非晶态金属（如：Fe-B-O，
耐腐蚀材料
Cr,Cr-Fe,Cr-W,Cr-Mo,Fe-W,Co-W,Ni-P,Fe-Cr-P,Co-Cr-P 系，
Ni-B,Fe-Si-P-Cr,Cr-Mo-P-C-Fe,稀有金属系, Fe-Ni-Co-(半金属)
复合材料用强化材
Fe-Si-B,Fe-Ni-C,Si-C 蒸着
其它 钎焊
Ti-Zr-Cu-Ni
1969年，美国人庞德和马丁关于制备一定连续长度条带 的技术为规模生产非晶态合金奠定了技术基础。
1976年美国联信公司利用快速凝固技术生产出10毫米宽 的非晶态合金带材，到1994年已经达到年产4万吨的能 力。
4.1 概述
非晶态材料的制备
16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.2 非晶态金属的基本特性
磁头 温敏元件
Co-Nb-Zr 系,Co70.3Fe4.7Si15B10,Co-B 系,Fe-Co-Ni-B 系,Co 系 Se+Te,第Ⅳ族金属
磁保护
Co-Fe-Si-B,Fe-B-Si,Fe-Ni-Mn-B,Ni-P,Ni-B 系
饱和扼流圈
Co-Fe-Si-B,Co-Fe-M-Si-B,Co 系
4.1 概述
非晶态材料的制备
10
高能辐射或机械驱动
除了从熔体急冷可获得非晶态之外，晶体材料在 高能幅照或机械驱动（如高能球磨、高速冲击等 剧烈形变方式）等作用下也会发生非晶化转变， 即从原先的有序结构转变为无序结构（对于化学 有序的合金还包括转为化学无序状态），这类转 变都归因于晶体中产生大量缺陷使其自由能升高， 促使发生非晶化
是单相的均质固体
4.1 概述
非晶态材料的制备
5
4.1.2 非晶态的形成条件
非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接 形成（如离子注人、高能粒子轰击、高能球磨、电 化学或化学沉积、固相反应等）
合金由液相转变为非晶态（金属玻璃）的能力，既 决定于冷却速度也决定于合金成分； 由固态形成需在高能辐射或机械驱动作用下也会发 生非晶化转变。
这时在材料内部原子作不规则排列，因 而产生了晶态材料所没有的性能。
4.1 概述
非晶态材料的制备
2
4.1.1 非晶态原子结构
无晶面
晶面
a)晶体金属
b) 非晶态金属
晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图
长程无序、短程有序
4.1 概述
非晶态材料的制备
3
径向分布函数
radial distribution function (RDF)
4.1 概述
非晶态材料的制备
12
部分非晶态金属组成
表 2.1 部分非晶态金属组成
变压器
磁性 高频变压器 材料
Fe78B13Si9,Fe-B-C-Si,Fe-B 系,Fe-Co-Cr-B-(Si,Al)-Mn Fe-Si-B,Co-Fe-Mn-Si-B,Fe-B-Si-Cu,Fe-Cr-B-Si,Fe-Zr,Fe-Co-Cr-B-(Si ,Al),Fe-Co-B,Ni-Co 系,Fe 系
第4章 非晶态材料的制备
(Non-crystalline metals)
4.1 概述 4.2 非晶态材料的性能 4.3 非晶态材料的制备方法 4.4 非晶态材料的加工 4.6 非晶态材料的应用 4.7 展望
非晶态材料的制备
1
4.1 概述
非晶态金属（合金），也称金属玻璃， 是指非结晶状态的金属或合金。即高温熔液 以105℃/s以上的超急冷速度凝固，因而来不 及结晶而形成的结构。
太阳能电池 Bi-Se,Cd-Se
薄膜触媒
Ni-B,Ni-P,Pd-B,Pd-P,Rh-B,Pt-B
4.1 概述
非晶态材料的制备
13
4.1.4 非晶态材料的性能与应用
性能
✓ 在结晶态强度较差的合金，通过非晶态化，可提高 强度和韧性
✓ 作为软磁材料可做变压器的铁芯，其磁损耗只相当 于冷轧硅钢片的1/3
15
4.1.5 非晶态材料的发展
世界上有关非晶态合金研究的最早期报道是1934年德国 人克雷默采用蒸发沉积法制备出的非晶态合金。
1950年，他的同胞布伦纳又声称用电沉积法制备出了Ni －P非晶态合金。
1960年，美国Duwez教授发明直接将熔融金属急冷制 备出非晶态合金的方法。与此同时，苏联的米罗什尼琴 科和萨利也报道了制备非晶态合金的相似装置。
4.1 概述
非晶态材料的制备
6
冷却速度
须使金属不产生晶核也不发生晶核长大
C字型曲线
冷却速度高于 临界冷却速度 以上时，金属 不再发生结晶
4.1 概晶述体形成温度与时间的关非晶系态材料的制备
7
临界冷却速度
对于纯金属 高于1010K/s
对于某些合金 103-106K/s
4.1 概述
典型非晶态金属形成时 所需要的冷却速度
G (r ) 4 r r 0
G (r ) 是以任一原子为中心在距离r处找到其 他原子的几率，
r 是距离为r处单位体积中的原子数目，
0 为整体材料中原子平均密度。
4.1 概述
非晶态材料的制备
4
微观组织特点
• 原子排列随机 • 没有晶界和因晶界而产生的晶体缺陷 • 宏观结构各向同性 • 成分波动较小、元素组合范围较宽、
✓ 是音质好、长寿命的磁头材料 ✓ 电阻率比一般的铁基或铁镍合金高3～4倍 ✓ 非晶铁基合金具有很好的耐腐蚀性能，例如
Fe72Cr8P13C7的耐腐蚀性能优于不锈钢 ✓ 某些非晶态材料的热膨胀系数接近于零 ✓ 非晶态材料也具有良好的催化性能
4.1 概述
非晶态材料的制备
14
应用
4.1 概述
非晶态材料的制备
非晶态材料的制备
8
合金成分
非晶合金元素的重要性质
降低熔点：合金成分一般在“共晶”点附近，
使合金的熔点远低于纯金属
抑制晶格排列：抑制原子移动，阻碍晶格排列，
合金在冷却时被“冻结”成非晶
4.1 概述
非晶态材料的制备
9
Zr-Ti-Ni-Cu-Be精密器件
齿轮
凸轮
成型条件：390℃，6.5×10-4/s 齿轮约800-1000秒完成，凸轮约180秒完成
4.1 概述
非晶态材料的制备
11
4.1.3 非晶态材料的种类
到目前为止所发现的非晶态金属的种类很多
按元素的组合，大体上可以分为五种： 1）过渡金属—半金属系列（Fe-B，Ni-P） 2）过渡金属—过渡金属系列（Fe-Zr，Ni-Zr） 3）过渡金属—稀土类系列（Co-Gd、Ni-La） 4）典型金属系列（Pd-Si、Mg-Zn） 5）含有气体元素的非晶态金属（如：Fe-B-O，
耐腐蚀材料
Cr,Cr-Fe,Cr-W,Cr-Mo,Fe-W,Co-W,Ni-P,Fe-Cr-P,Co-Cr-P 系，
Ni-B,Fe-Si-P-Cr,Cr-Mo-P-C-Fe,稀有金属系, Fe-Ni-Co-(半金属)
复合材料用强化材
Fe-Si-B,Fe-Ni-C,Si-C 蒸着
其它 钎焊
Ti-Zr-Cu-Ni
1969年，美国人庞德和马丁关于制备一定连续长度条带 的技术为规模生产非晶态合金奠定了技术基础。
1976年美国联信公司利用快速凝固技术生产出10毫米宽 的非晶态合金带材，到1994年已经达到年产4万吨的能 力。
4.1 概述
非晶态材料的制备
16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.2 非晶态金属的基本特性
磁头 温敏元件
Co-Nb-Zr 系,Co70.3Fe4.7Si15B10,Co-B 系,Fe-Co-Ni-B 系,Co 系 Se+Te,第Ⅳ族金属
磁保护
Co-Fe-Si-B,Fe-B-Si,Fe-Ni-Mn-B,Ni-P,Ni-B 系
饱和扼流圈
Co-Fe-Si-B,Co-Fe-M-Si-B,Co 系
4.1 概述
非晶态材料的制备
10
高能辐射或机械驱动
除了从熔体急冷可获得非晶态之外，晶体材料在 高能幅照或机械驱动（如高能球磨、高速冲击等 剧烈形变方式）等作用下也会发生非晶化转变， 即从原先的有序结构转变为无序结构（对于化学 有序的合金还包括转为化学无序状态），这类转 变都归因于晶体中产生大量缺陷使其自由能升高， 促使发生非晶化
是单相的均质固体
4.1 概述
非晶态材料的制备
5
4.1.2 非晶态的形成条件
非晶态可由气相、液相快冷形成，也可在固态直接 形成（如离子注人、高能粒子轰击、高能球磨、电 化学或化学沉积、固相反应等）
合金由液相转变为非晶态（金属玻璃）的能力，既 决定于冷却速度也决定于合金成分； 由固态形成需在高能辐射或机械驱动作用下也会发 生非晶化转变。
这时在材料内部原子作不规则排列，因 而产生了晶态材料所没有的性能。
4.1 概述
非晶态材料的制备
2
4.1.1 非晶态原子结构
无晶面
晶面
a)晶体金属
b) 非晶态金属
晶体金属和非晶态金属原子排列的示意图
长程无序、短程有序
4.1 概述
非晶态材料的制备
3
径向分布函数
radial distribution function (RDF)