非晶态合金性能与应用

柔韧的非晶
艾林瓦(Elinvar)特性
材料在一定温度范围内，弹性模量随温度的变化 极小。许多非晶态铁基合金由于大的自发体积磁致 伸缩导致其弹性模量的变化，形成△E效应，即艾 林瓦特性。使其在室温附近，弹性模量和剪切弹性 模量不随温度而变化。
右图是弹性模量和温度的关系 图，可以看出，Fe79B21、 Fe80B20、Fe82B18、 Fe83B17、Fe85B15、 Fe86B14合金在Tc温度下，E 几乎不随温度变化，硼摩尔分 数为15％~18％的合金，E的 温度系数几乎为零。 由于非晶合金的亚稳性质， 其弹性模量△E＝E0-ET随时 间不断下降，相当长时间后达 到稳定(未老化)。
• 具有超导性能的非晶合金可制成具有良好力学性 能的薄带，为开展超导研究和应用研究提供有利 条件。
磁学性能
• 部分非晶合金具有良好的铁磁性能。
• 非晶合金中没有晶界，一般也没有沉淀相粒子等障 碍对磁畴壁的钉扎，所以非晶合金很容易磁化，矫 顽力极低。 • 金属玻璃经部分晶化后产生的极细晶粒可作为磁畴 壁非均匀形核媒质，细化磁畴，获得比晶态软磁合 分更好的高频(＜100kHz)软磁性能。
非晶态合金和晶态不锈钢 在10%FeCl2-10H2O溶液中的腐蚀速率
试样 晶态不锈钢18Cr-40Ni 晶态不锈钢17Cr-14Ni-2.5Mo 腐蚀速率(mm/年) 40℃ 17.75 —— 60℃ 120.0 29.24
非晶态合金Fe70Cr10P13C7 非晶态合金Fe65Cr10Ni5P13C7
贮氢性能
• 非晶态金属还具有优良的贮氢性能。某些非晶态金 属通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作贮氢 材料。一些非晶态合金具有优良的贮氢性能，贮氢后 非晶态的结构也相当稳定，但原子间距膨胀。有些非 晶态金属由于吸氢后转变成为晶态，这是由于氢化物 形成是放热反应，非晶合金吸氢时，由于发热而升温 产生晶化。非晶态金属的吸氢量是随氢原子能占据的 场所的数目以及易产生氢化物的元素含量的增加而增 加。根据这个道理，若在氢原子能占据的场所填入了 类金属元素的原子，那么将不能贮氢。如在TiNi合金 中添加硼、硅时，吸氢量减少。
热学性能
• 非晶态合金处于亚稳态，是温度敏感材料。
• 如果材料的晶化温度较低，非晶态合金更不稳定 ，有些甚至在室温时就会发生转变。
非晶的热处理
•
（因瓦(Invar)效应）金属玻璃在相当宽的温度范围内，都显示出
很低的热膨胀系数，并且经过适当的热处理，还可进一步降 低非晶合金在室温下的热膨胀系数。
几种非晶合金的热膨胀系数(10-6/℃)
非晶合金的应用
非晶软磁元件
变压器 大功率变压器总希望使用 磁感应强度高、矫顽力低 ，损耗小的材料。 变压器用量特别大，还必 须要求原材料成本低。 此外，还要求使用的材料 延展性好，加工容易、尺 寸精度高、层间绝缘性好 、耐腐蚀性强。
大功率变压器
• 非晶合金的矫顽力很低，外场作用下十分容易磁 化；同时非晶合金具有很高的电阻，可以明显降 低涡流损失。
0.00 0.00
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催化性能
非晶态金属表面能高，可以连续改变成分，具有明 显的催化性能。作为催化剂被应用始于20世纪80年代。 非晶态金属催化剂主要应用于催化剂加氢、催化脱氢、 催化氧化及电催化反应等。触媒剂在化学工业中具有 相当重要的地位，高效率的触媒剂对化学工业生产效 率的提高、能源的节约以及新化工产品的产生起着重 要的作用。不同的化学反应要求特定的触媒剂，非晶 态合金具有传统材料无法比拟的优异触媒性能。
• 许多非晶(如Nb-Si，Mo-Si-B、Ti-Nb-Si、W-Si-B 等)在低于临界转变温度时还具有超导性能。 • 在非晶中形成弥散的第二相也可使临界温度、电 流密度等超导性能得到提高。
• Zr65Nb 15B20非晶合金经适当退火产生部分晶化， 在基体上形成许多微小晶粒，合金超导临界温度 提高2倍。
• 金属玻璃用作低频(50-60Hz)磁芯时的磁芯损耗根 低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等铁基非晶合 金的磁芯损耗只有常用硅钢片的 1/3-l/5 ，而饱和 磁感应强度等磁学性能与硅钢片相近， • 非晶软磁合金的主要用途是取代晶态硅钢制作各 种类型的变压器。
• 非晶磁性合金的应用不仅可减少能量损失，还可 以在额定功率一定时，减轻变压器的重景和减小 变压器的尺寸。
非晶态合金的性能与应用
非晶态合金的性能
强度、硬度和刚度
• 非晶中原子有较强的键合，特别是金属-类金属非晶 中原子键合比一般晶态合金强得多；
• 非晶合金中原子排列长程无序，缺乏周期性，合金 受力时不会产生滑移。 • 非晶合金具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是 强度最高的实用材料之一。
高强度非晶材料
Fe80B20
Co77.5Si12.5B10 Ni60Nb40
3.63
3.58 1.93
/
/ /
10.79
11.2 8.82
166
190 125
Cu50Zr50
1.80
/
5.68
83.5
• 一些非晶合金的强度甚至超过了高强度马氏体时 效钢(σs约2GPa)，强度最高的Fe80B20的屈服强度 与经过冷拉的钢丝差不多。 • 金属玻璃具有很好的室温强度和硬度的同时，也 具有很好的耐磨性能，在相同的试验条件下磨损 速度与WCrCo耐磨合金差不多。
坡莫 合金
Fe基 非晶
150 150
Φ40×50 ×15
Φ25×40 ×12.5
66.5 49.5
273.5 167.5
146.5 76.3
57.5 42.5
42.5 33.5
磁头
• 磁头器件要求材料饱和磁感应强度大；在工作频率 范围内材料的磁导率高；具有较低矫顽力和较高电 阻率；耐磨性和抗蚀能力强；磁性能对加工应力不 敏感；热稳定性好等。
韧性和延性
• 非晶合金不仅具有很高的强 度和硬度，与脆性的无机玻 璃截然不同，还具有很好的 韧性，并且在一定的受力条 件下还具有较好的延性。 • Fe 80 B 20 非晶合金的断裂韧性 可达 12MPa.m -1/2 ，这比强度 相近的其它材料的韧性高得 多，比石英玻璃的断裂韧性 约高二个数量级。
• 用非晶带绕成环形磁芯，在直径方向施加很小外 力，会使磁芯的磁特性发生显著变化。用这个磁 芯构成单磁芯桥式多谐振荡器，可将由应力所产 生的磁性能变化转变为直流电压输出，制成高精 度应力传感器。
变压器用非晶铁芯
非晶变压器
• Fe 基非晶合金与坡莫合金制成的开关变压器的性 能比较，非晶变压器的体积、重量明显下降，温 升降低，成本减少50％以上。
Fe基非晶合金与坡莫合金制作的开关变压器的性能
铁芯 材料 输出 铁芯 功率/W 规格/mm 铁芯 重量/g 变压器 重量/g 变压器 体积/cm3 铁芯 温升/℃ 变压器 温升/℃
硬盘读写磁头
• 用非晶合金作磁头具有下列优点：
• 无磁晶各向异性：晶态材料的磁晶各向异性使磁导 率下降，矫顽力增大，磁滞损耗增加，噪声增大。 • 电阻率高：这对降低涡流损耗有利。 • 硬度大，耐磨性好。
• 耐腐蚀性高：晶态材料的磁性与耐蚀性难以兼得。
• 容易获得薄带：高频工作时，为减小涡流损耗，希 望材料减薄，要求用数微米至数十微米的薄片；对 于晶态材料，加工有一定困难，非晶带的厚度一般 为20-40μm，很适于录相磁头的工作频带。
0.10
0.11
-0.15
0
-0.15
0
-0.15
0
-0.25
-1.1
电学性能
• 非晶具有长程无序结构，在金属 -类金属非晶合金中 含有较多的类金属元素，对电子有较强的散射。
• 非晶合金一般具有较高的电阻率，是相同成分晶态 合金电阻率的2-3倍，电阻温度系数比晶态合金小。
某些晶态及非晶态合金的电阻率和电阻温度系数 合金 晶态Cu Cu55Ni45 Ni80Cr20 非晶态Cu77Ag8P15 Ni68Si15B17 Cu0.6Zr0.4 电阻率(μΩ.cm) 1.72 49.0 103 136 152 350 电阻温度系数(10-6/K) 4330 — 70 -120 0 -90
弹性模量和温度的关系
• 金属玻璃的塑性与外力方向有关，处于压缩、剪 切、弯曲状态时，金属玻璃具有很好的延性，非 晶合金的压缩延伸率可达 40％，轧制时压下率为 50％以上也不会产生断裂，薄带对弯至180度一般 也不会断裂。 • 金属玻璃在拉伸应力条件下的延伸率很低，一般 只有约0.1%。
• 非晶合金的弹性模量比晶态合金略低。 • 非晶合金在外力作用下应变不均勾，受疲劳应力 作用时疲劳裂纹容易形核，疲劳寿命较低。
光学性能
金属材料的光学特性受其金属原子的电子状态 所支配பைடு நூலகம்某些非晶态金属由于其特殊的电子状态而 其有十分优异的对太阳光能的吸收能力。所以利用 某些非晶态材料能够制造出相当理想的高效率的太 阳能吸收器。非晶态金属具有良好的抗辐射（中子、 γ射线等）能力，使其在火箭、宇航、核反应堆、受 控热核反应等领域具有良好的应用前景。
• NdFeB 非晶合金经过晶化热处理并控制形变织构 方向后，最大磁能积达到 55MGOe ，是目前永磁 合金磁能积能达到的最高水平之一。
化学性能
• 非晶中没有晶界、沉淀相相界、位错等容易引起局 部腐蚀的部位，也不存在晶态合金容易出现的成分 偏析，所以非晶合金在结构和成分上都比晶态合金 更均匀，具有更高的抗腐蚀性能。 • 含Cr的铁基、Co基和镍基金属玻璃，特别是其中含 有P等类金属元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐 蚀能力。 P 的作用是促进防腐蚀薄膜形成； Cr 作用 是形成防腐蚀保护膜。
金属玻璃的强度、硬度和弹性模量
合金 Ni36Fe32Cr14P12B6 Ni40Fe20P14B4Si2 Fe80P16C1B1 Fe80Si10B10 Fe80P13C7 屈服强度 /GPa 2.73 2.35 2.44 2.91 2.30 断裂强度 /GPa / 2.38 / / 3.04 硬度Hv /MPa 8.63 7.77 8.19 8.13 7.45 弹性模量 /GPa 141 129 135 158 122
非晶合金 Fe72Co18Zr10 (300℃×1慢冷) Fe72Ni18Zr10 (急冷状态) Fe68Co17V5Zr10 (急冷状态)
-195℃- 100℃ 3.2
-100℃0℃ 0.12
0℃ 50℃ 0.12
50℃100℃ 0.12
100℃200℃ 0.12
200℃300℃ 0.12
8.0
4.8
• 某些铁基非晶合金(例如Co-Fe-B-Si)在很大频率范围 内都具有很高的磁导率。
某些非晶态合金的软磁特性
合金
Fe80B20
处理条件 磁场退火
矫顽力 (A/m) 3.18
最大 磁导率 32.0×104
剩磁 (T) 1.23
磁致伸缩 系数 —
Fe40Ni40P14B6
Fe80P13C7 Fe4.7Co70.3Si15B10 Co75Si15B10
传感器
• 非晶合金薄带与丝材具有许多优点，适合各种类 型传感器的不同需求： • 同时具有高强度和高弹性极限，用非晶合全条带 的丝材可直接做成弹性环和弹簧，不需要辅助弹 性材料和保护材料，制成的器件可承受很大的拉 力，且具有耐磨、耐冲击和耐腐蚀性。
• Co基非晶合金的最大磁导率可达106级，是高灵敏 度磁性传感器的理想材料。
密度
• 非晶是一种短程有序密排结构，与长程有序的晶态 密排结构相比，非晶合金的密度一般比成分相近的 晶态合金低1-2％。Fe88B12合金在晶态时密度为 7.52g/cm3，在非晶态时密度为7.45g/cm3。 • 非晶合金具有很高强度、硬度、耐磨性能和韧性， 在弯曲、压缩状态时有很好的延性，但拉伸延性、 疲劳强度很低，所以一般不能单独用作结构材料。 许多成分的金属玻璃经适当晶化处理后，综合力学 性能会有很大提高。
去应力退火
磁场退火 熔体急冷 熔体急冷
0.64
1.43 1.04 2.39
87.5×104
18.0×104 18.1×104 3.0×104
0.70
1.3 0.23 0.2
—
— -0.1×10-6 -3×10-6
• 一些非晶永磁合金在经部分晶化处理后永磁性能 会产生很大提高。
• 许多铁基稀土非晶合金晶化后，矫顽力可增加 2-3 个数量级以上，具有很好的永磁性能。