非晶态金属材料

9.6. 非晶态金属的性能和应用
高杨氏弹性模 量；－刚度大； 大的弹性变形 极限－低阻尼， 高回弹；用于体 育器材。
Amorphous metallic alloys combine higher strength than crystalline metal alloys with the elasticity of polymers.
9.1. 非晶态金属概述
非晶态金属（金属玻璃）的特点：
兼有金属和玻璃各自优点，并克服了各自弊病： 玻璃易碎，没有延展性；但强度硬度高，耐腐蚀；
金属韧性好，有延展性；但硬度低，不耐腐蚀；
良好的综合性能，号称玻璃之王：
强度高于普通钢，硬度大于多数工具钢；
同时还具有一定的韧性。
9.1. 非晶态金属概述
非晶态合金的磁学性能的应用
非晶变压器（电阻率高、高频涡流损耗低） 非晶开关电源（低矫顽力）
高性能长寿命非晶磁头
新型磁致伸缩传感器
非晶合金磁屏蔽
非晶漏电保护器
9.6. 非晶态金属的性能和应用
非晶态合金的力学性能 非晶态金属性能
强度高；铁基和铬基非晶的抗拉强度可达4000MPa，镍基非晶 的抗拉强度可达3500MPa，均超过晶态钢丝。
9.3. 非晶态金属的结构
非晶态金属材料的结构特点
内部原子排列短程有序而长程无序。非晶金属短程有序应小 于(1.5±0.1)nm, 以区别于微晶。 键合类型为金属键。最近邻原子间距与晶体的差别很小，但 在次紧邻原子关系上有显著差别。 显著的均匀性。（ 1）结构均匀、各向同性，没有晶界、孪 晶、位错、层错等缺陷；（2）成分均匀，无晶体金属所具有 的析出相、偏析。 热力学不稳定性。非晶态金属原子无序排列，体系的自由能 较高，热力学不稳定，有转变为稳定晶态的倾向。
新型金属材料
南京理工大学材料科学与工程系
新型金属材料
第9章 非晶态金属材料
主讲：尹德良
南京理工大学材料科学与工程系
本章主要内容
1 非晶态金属概述
2 3
4
非晶态金属的发展历史 非晶态金属的结构 非晶态金属的制备 非晶态金属的性能和应用
5
8
本章需掌握的重点
1 2 3 4 5 非晶态金属的结构特点和模型；
9.1 非晶态金属概述
非晶态材料：材料内部原子排列没有周期性；
如 玻璃；
典型非晶态材料（玻璃）的特点：
以SiO2为主要成分的氧化物玻璃其熔液的黏度很大 且晶体结构复杂，原子扩散困难，冷却时晶核形成困 难。 一般的冷却速度(10-4~10-1K/s)就足以避免结晶； 冷却后虽然为固体，但内部结构保持液态时的长程 无序状态，称为非晶态或玻璃态固体；
9.3. 非晶态金属的结构
非晶态金属材料的短程有序（分为两类）
化学短程有序 每一合金元素原子周围的化学组分与其平均值各不相同。常 用最近邻组分与平均值的偏离作为参数来描述。 拓扑短程有序
非晶态金属局域结构的短程有序，一般用局域结构参数描述。 如原子间的距离或各原子间的夹角等；
9.3. 非晶态金属的结构
非晶态金属的力学性能、磁学性能和化学性能；
非晶态金属的制备方法； 影响非晶态合金非晶形成能力的因素； 非晶态合金的主要应用。
9.1 非晶态金属概述
晶态材料：材料内部原子呈周期性排列；
大多数结构材料，如钢铁、有色金属、陶瓷等；
晶态材料（金属）的特点：
金属熔液在接近凝固温度时黏度很小，其晶体结 构较为简单，在较快冷却时仍会发生结晶，形成 原子结构呈周期性的晶态固体；
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属的发现（1934-1959)
金属晶粒尺寸越细，强度和韧性越好－细晶强韧化 缘起 钢水快速冷却－－获得晶粒更细的优质钢材 凝结金属蒸汽－－获得细晶优质合金
最初的发现
1934年，德国人克雷默采用蒸汽沉积法发现了玻璃冷基底上的非晶态金属膜；
1947年，美国人A.Brenner用电解和化学镀法获得了Ni-P非晶态金属膜；
9.6. 非晶态金属的性能和应用
非晶态金属性能 非晶金属的性能
9.6. 非晶态金属的性能和应用
非晶态金属材料的磁性
原子排列－长程无序，短程有序 磁性要求：原子磁矩的有序排列。 非晶态金属的磁性：近邻原子自旋 的交互作用导致原子磁矩的长程有 序排列。
非晶态金属结构的磁有序 非晶金属材料铁磁性的原因
晶态与非晶态的宏观对比
单晶铜音视频接插件 （极低的电阻率）
金属玻璃（很高的电阻率）
9.1. 非晶态金属概述
非晶态金属的定义：
在特殊冷却条件下凝固时，熔液态金属没有发生结 晶而形成的具有短程有序而长程无序结构的固体。 （Amorphous metals） 由于非晶态金属的结构类似于普通玻璃，因此也称 为金属玻璃（Metallic glasses)。
TM-TM型非晶态合金
9.4. 非晶态金属的类型
TM-M型非晶态合金
TM：过渡金属（Transition Metals),过渡元素是指元素周期表 中IIIB到IIB之间的一系列金属元素 . M：类金属(Metalloid),又称准金属元素或半金属元素，是具有 金属和非金属之间的一些化学性质的元素，如硼，硅，锗，砷.
Over 40 years, the critical casting thickness has increased by more than three orders of magnitude
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属应用实例
变压器使用的非晶铁芯
钴基非晶合金传感器
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属的制备方法
(1) 骤冷法 熔融金属通过急冷凝固（105-108K/s)形成非晶粉末、丝、条带。 (2) 化学还原法 通过还原金属的盐溶液得到非晶态合金。 (3) 沉积法 通过蒸发、溅射、电解等方法使金属原子凝聚或沉积成非晶。 (4) 化学镀法 利用激光、离子注入、喷镀、爆炸成型等方法使材料结构无序化 。
抵抗塑性变 形的能力
英国剑桥大学 教授、著名材 料科学家 M.F.Ashby绘 制的杨氏模量 与弹性极限的 关系 弹性变形的 难易程度
9.1. 非晶态金属概述
非晶态金属的分类：
金属＋金属型非晶态合金：
主要含有Zr元素。如Cu-Zr, Ni-Zr等。
金属＋类金属型非晶合金：
主要由过渡金属与B或P等类金属组成的二元或多元 合金，如Fe72Cr8P13C7, Ni40B43等。
非晶态金属材料的结构模型
（1）微晶模型 该模型认为非晶态材料是由晶粒 非常细小的微晶组成。这些微晶 内的短程有序与晶体完全相同， 而长程无序是各晶粒的取向杂乱 分布的结果。
优缺点：该模型可定性地说明非晶态衍射实验结果，但 由该模型计算的径向分布函数与实验难以吻合。
9.3. 非晶态金属的结构
非晶态金属材料的结构模型
9.5. 非晶态金属的制备
影响非晶态合金形成的几个要素
类金属的含量 非晶态合金的形成倾向和稳定性随类金属含量的增加而提高；这是由 于过渡金属和类金属原子之间强烈的相互作用。 原子尺度的差别 原子尺度差别的增加会显著影响非晶态合金的形成和稳定性。 位形熵
决定了非晶态合金中协同重排区域的大小也影响非晶态的形成和稳定。
9.5. 非晶态金属的制备源自文库
非晶态金属凝固热力学
熔液结晶时，比热容发生突变； 熔液转变为玻璃态时，比热容连 比热容 续变化； Tm-Tg越低，越容易转变为玻璃 态，非晶形成能力越强。 加入合金元素会降低Tm-Tg，有利于 温度 非晶的形成。 Tg
Tm
Tg－玻璃态温度； Tm－结晶温度；
9.5. 非晶态金属的制备
早期的沉淀法和快淬法获得的非晶合金由于非晶成分的不均 匀性导致矫顽力很高； 1975 年， Lurborsky 使用热处理的方法使 FeNiPB 合金的矫 顽力显著下降，为非晶合金磁性能的市场应用开辟了道路。
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属应用历史
非晶是一种亚稳态，只能通过液态合金急冷制得，冷却速度 高达105~106K/s，这就限制了非晶金属的厚度；
非晶态金属应用实例
非晶合金防盗锁扣
图书非晶防盗磁条
非晶高尔夫球杆
非晶合金组合式变压器
非晶合金外壳的Vertu手机
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属材料的发展前景
非晶金属较低的矫顽力和磁损耗在变压器铁心将有更大范围 的应用；
非晶在高强度、耐磨、耐腐蚀领域具有良好的应用前景；
大块非晶技术为纳米材料制备和应用提供强有力的支持。采 用非晶晶化法可以制备致密、颗粒小（5-10nm）、界面清洁 的块体纳米材料。－－相比机械合金化（球磨）
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属磁性能的研究历程
由于非晶合金原子无序排列，人们曾认为其不具有磁性； 1960 年 Gubanov 通过理论预测了非晶金属具有铁磁性（由 于磁性原子之间的交换作用是短程的，因此磁矩的定向排列 －铁磁性，不需要长程有序）；
1965 年， Mader 和 Nowick 对真空沉积 Co-Au 非晶态合金证 实了非晶金属具有铁磁性；
硬度高，耐磨性好；有些非晶态合金的硬度可达HV1400。 [Fe0.05Co0.89(RuCr)0.05](Si0.2B0.8)非晶合金制作的录放磁头，运 行1000h,其磨损量只有坡莫合金的1/3。 高断裂韧性－摔不碎、砸不烂；
优良的动态性能－高冲击韧性和高疲劳寿命；
注：Ru－钌，VIII族元素
9.4. 非晶态金属的类型
TM-M型非晶态合金
（1）较低的冷却速度就能够形成非晶态。 （2）具有较高的晶化温度，一般高于500K。 （3）有较好的铁磁性，是一种优秀的软磁材料。
RE-TM型非晶态合金 RE：稀土元素
（1）晶化温度更高，可以达到800K。 （2）具有独特的磁性能，有的成分是硬磁性，有的是软磁性。
实际生产的非晶金属的厚度约为 101~102 微米；用途局限于 生产转换磁心和磁敏感元件，无法用作结构零件； 20 世纪 90 年代，通过开发新非晶体系将冷却速度降到 1100K/s，生产了均匀的块体非晶(bulk metallic glasses)，进 一步扩展了非晶金属的应用领域。
9.2. 非晶态金属的发展历史
9.2. 非晶态金属的发展历史
非晶态金属的制备(1959-1960)
1959年，美国人杜维兹采用熔融金属急冷方法制备细晶合 金时获得了一种奇异的合金（非晶态金属），该合金的X射线 衍射图谱上周期性的衍射峰不见了； 同时，前苏联的米罗什尼琴科采用金属熔滴喷射到冷基板 上，产生了106K/s的冷却速度，也制得的非晶态金属；
TM-TM型非晶态合金
（1）由前过渡金属和后过渡金属组成，如Fe88Zr12。
（2）具有较高的晶化温度>750K和较好的软磁性能。
9.5. 非晶态金属的制备
金属结构理论 结晶动力学
非晶 金属
热力学
非晶态金属形成能力的相关理论
9.5. 非晶态金属的制备
非晶态金属制备必须解决的两个关键问题
1 必须形成原子 混乱排列的结 构状态； 2 将热力学上的 亚稳态在一定 温度范围内保 存下来，使之 不向晶态转变。
Example of an amorphous structure. The atoms are arranged in a random fashion, similar to their arrangement in the liquid state.
9.4. 非晶态金属的类型
TM-M型非晶态合金 RE-TM型非晶态合金
（2）拓扑无序模型 该模型认为非晶态结构的主要特征 是原子排列的混乱和无规则。原子 间的距离或各对原子间的夹角均无 明显的规律性。
该模型把非晶中存在的短程有序看作是无规则堆积中附 带产生的结果。
9.3. 非晶态金属的结构
Example of a crystalline atomic structure. Four grains are illustrated. In each grain, the atoms form an orderly lattice. The grain boundaries are one example of a crystalline defect.
9.6. 非晶态金属的性能和应用
非晶态合金的磁学性能
Amorphous alloy
非晶态金属性能
优点： 与冷轧硅钢片相比，磁导率和电阻率高， 低涡流损耗。高强度、耐腐蚀。
激磁功率仅为硅钢片的1/10, 显著节省能源；
缺点：
热处理后材质发脆；
成本较高；
H－外加磁场强度； B－磁性材料的磁感应强度
9.6. 非晶态金属的性能和应用