玻璃态转变和非晶态合金

2010-12-14
• 非晶合金的形成机制 • 合金在缓慢冷却时易形成晶体，在快冷的条件下则 可形成非晶态，如图所示
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• 图中Tm为结晶温度，Tg为玻璃（非晶）态温度。当液体 发生结晶时，其体积发生突变，而液体转变为玻璃态时， 其体积无突变而是连续地变化。 • 材料的Tm-Tg间隔越小，越容易转变成玻璃态。如纯SiO2 的Tm=1993k,Tg=1600k,Tm-Tg=393k;而金属的Tm-Tg间 隔很大，尤其高熔点金属的间隔更大，如纯钯的 Tm=1825k,Tg=550k,Tm-Tg高达1275k,故一般的冷却速度 不易使金属获得非晶态。 • 注意：加入合金元素可使Tm降低，Tg提高，从而较易获 得非晶态的合金。如上述的钯加入原子数为20%的Si后， Tm降低约1100k,Tg上升至约700k
2010-12-14
铁 芯
2010-12-14
谢谢！
2010-12-14
2010-12-14
虽然大块非晶作为一种新型材料，具有许多优异的性能，近年来对它的 制备技术、非晶形成能力的研究都取得了一定的进展，但是对于它能 否得到实际应用还有许多问题需要解决： (1)如何获得更大的尺寸； (2)如何提高稳定性； (3)如何降低成本； (4)如何改进制备工艺。 。
专家预计，到2050年，全球的能源消耗将会是目前消费水平的3倍。由于 经济发展与电力供应的不匹配，电力短缺代价也越来越大。因此急需新的 技术来提高电力供应的灵活性，改变当前电网能源利用率低，发电、传输、 使用过程都存在大量能量损失的现象。电力行业可以采取诸如使用非晶合 金变压器代替硅钢配电与启用需求响应程序，增加电力需求等解决办法。
2010-12-14
6.7.3非晶合金的结构变化
• 非晶合金中观察到结构松弛现象，这是利用极冷法制备的 非晶合金，通过热激活过程，向能量低，结构稳定的结晶 合金变化的现象。非晶合金有两种短程有序，即由空间结 构的主要因素决定的短程有序化学结构的主要因素决定的 短程有序，称为几何拓扑短程有序和化学短程有序。前者 的变化引起非可逆地结构松弛，后者的变化引起可逆地结 构松弛。可逆的结构松弛是在某一温度T1时产生结构松弛， 而在另外一个较低温度T2（<T1）能回复到原来状态的现 象。例如将铁基铁磁性非晶合金的热处理温度在T1和T2 之间交互变化，则与之对应的居里温度相互可逆地 变动， 这个事实容易理解为可逆的结构松弛是非晶合金的有序变 化，也就是对应结晶过程中有序度的变化。
• 式中，η 0 ，B，T0是常数，如果T0=0，则该式和阿伦纽斯方程一致，k 为波尔兹曼常数，k.B应该是原子移动的激活能，但过冷液体中的原子 运动是多数原子参与的协调运动，而不是晶体中原子扩散的单纯过程。
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铸态组织
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非晶合金形成的原因
• 利用急冷凝固得到的金属合金称为金属玻璃或非晶合金。 • 这些合金中容易生成非晶态结构是由于它们的组分的原子 间能够形成稳定的化学键。 • 在制备非晶态合金过程中，合金成分中不产生稳定的晶体 结构也是重要的必要条件。 • 在这些合金系中，除介于产生金属间化合物的成分和纯金 属之间的成分，都容易产生非晶相。（p97/98）
2010-12-14
• 图6-24模拟地表示熔融金属晶体，经过 急冷凝固时的体积变化。晶体在熔点Tm 处产生很大体积膨胀变成液体，由于急 冷凝固还来不及达到结晶温度就急剧下 降，变成过冷液体在成为过冷液体的液 体延长线上体积减小，由于液体内部的 原子移动（和原子振动有区别，通常表 现为平行运动）需要的自由体积减小， 原子变得难以运动。再进一步降低温度， 原子运动的自由度被冻结，多余的自由 体积被冻结保留下来，移向非平衡状态。 这个温度用玻璃态转变温度Tg以下，由 Tg 于原子振动趋于静止，非调和项减少而 发生体积减少，这和结晶的情形相同。 自由体积减少带来粘性急剧上升，因此 往往把玻璃转变点在粘度超过1012Pa.s 的温度。
6.7 玻璃态转变和非晶态合金
• • • • • • • 6.7.1玻璃态转变 6.7.2非晶合金形成的原因 6.7.3非晶合金结构的变化 6.7.4非晶合金的晶化 6.7.5非晶合金的性能 6.7.6非晶合金（大块非晶合金 ）的性能 6.7.7非晶态合金应用
2010-12-14
6.7.1玻璃态转变
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• 在Tg附近，体积变化∆V 发生转折，如果冷却速度很快则这种转折在 较高温度就开始，较多的自由体积被保留。 • Tg附近的体积变化行为和二次相变相似，因此转变温度取决于冷却速 度，玻璃态转变和普通平衡态下的相变不同。 • 玻璃态转变点附近的粘度变化可用经验公式表示：
η = η 0 exp[ B /(T − T0 )]
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非晶态合金的晶化
• 晶化：经过热处理 • 由于非晶合金是亚稳的热力学状态，超过一定温 度就会发生晶化。
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非晶合金（大块非晶合金 ）的性能
• 大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、 薄带等)而言的，具有较大的三维几何尺寸。固态时原子 在三维空间呈拓扑无序排列，表现为短程有序、长程无序， 呈亚稳态结构，而且在一定温度范围内还可以相对稳定地 保持这种结构。 • 自非晶合金问世以来，提高非晶成形能力，即得到大尺寸 的非晶样品一直是人们努力追求的主要目标之一。
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• 性能：
• 1、由于具有“冻结”的液态结构，没有晶态材料的长程有序，因而
不存在影响合金性能的空位、位错、层错、晶界、第二相等缺陷，也 就不会因为位错的运动而产生滑移，加上非晶合金中原子间的键合比 一般晶态合金强得多； 2不存在磁晶粒各向异性，通常也没有沉淀相粒子等对磁畴壁的钉扎 作用； 3非晶态软磁材料具有损耗低、导磁率高的优异特性； 4具有高的弹性极限和低的杨氏模量； 5通过化学反应可吸收和释放出氢；
玻璃态转变是指通过冷液体相玻璃状态的非平衡相的相变。
质的状态一般分为平衡状态和非平衡状态，平衡状态又分为 稳定平衡，亚稳平衡和不稳定平衡。 平衡时施加外力后仍继续保持原来的状态，非平衡是及时不 施加外力，状态也发生变化，而且，当给出仅来自外部的变 化时，把回复到原来的状态成为稳定平衡，完全离开原来状 态的成为不稳定平衡。 工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下 不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为 非平衡凝固(结晶)
• • • •
• 6非晶对某些化学反应具有明显的催化作用等
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非晶态合金的应用
• 基于非晶独特的组织结构和优异的性能，及高效的制备工艺和广阔的 应用前景，自诞生以来就一直受到广泛重视，人们也逐渐加大了对其 应用技术的研究，短短的几十年，块体非晶已经在很多领域得到广泛 应用，可以预见，大块非晶合金作为一种性能优异的工程材料必将获 得广泛应用。目前非晶主要用作模具材料、切削工具材料、电极材料、 耐腐蚀材料、储氢材料、运动器材材料、软磁材料等 • 另外可用作化工催化剂 • 据报道，美国军方已经与加州理工学院、约翰一霍普金斯大学及橡树 岭国家实验室合作，研究大块非晶穿甲弹从而代替现役的贫铀穿甲弹 • 最近制备出的轻型、抗辐照、高强度的大块Ti基金属玻璃在航天领域 有很大的应用前景。 • 用大块zr基非晶制作的高尔夫球头，目前在美国市场上已有这种高尔 夫球杆出售。