非晶合金

• Mg-based BMG +Re 抗氧化性
• 二元大块金属玻璃制备 Cu-Zr, Cu-Hf, Ni-Nb
• 大块纳米晶
(b) 复合材料 • 添加未熔元素
添加 W,Ta,等高熔点金属元素(粉状,丝状) 氧化物,金属间化合物等
• 原位形成
Zr-based BMG +Nb (dendrite)
Ti-based BNA +Nb (dendrite)
加热过程出现玻璃转变现象.
Pd-, Ni-, Fe-, Co-, Zr-基等金属玻璃相继产生.
愚蠢的合金!
(2) 块体金属玻璃产生
传统金属玻璃为条带或丝状 应用? 上世纪七十年代 Pd-Ni-Si BMG 毫米级 陈鹤寿(H.S.Chen) Bell实验室 八十年代初 八十年代末 Pd-Ni-P BMG 厘米级 Turnbull La-Al-Ni BMG 稀土基 A.Inoue, 张涛 (日本东北大学) Zr-,Ti-,Fe-,Cu-,Mg-,Co-基大块金属玻璃先后研制成功. 冷速为 106 K/s
超声原位加压测量，结构变化对压力不敏感，状态方程较接近。 为高密堆结构。
•
金属玻璃的表征方式:
(HRTEM)
(1) 高分辨透射电镜
(2) x射线衍射分析 (XRD)
(3) 差热扫描热分析 (DSC )
二 金属玻璃的形成条件及制备方法
(1)形成条件
冷却速度大于临界冷却速度 不同合金的临界冷却速度是不同的
第三代
RE-based BMGs
Fe-, Cu-, Co-based BMGs
形成能力较强， Rc=100-300K/s, tmax=10 mm
四 大块金属玻璃目前研究的几个热点
(1) 新材料的制备(novel materials)
(a) 新合金体系的探索; • Gd-, Ce-,Ca-based BMGs
原子振动相互有一定影响，存在频率分布。
大块金属玻璃的应用
• 军事领域
a. 穿甲弹
（自锐性）
战斗部
b. 防腐涂层 （海军） 非晶钢 （铁基大块金属玻璃 无磁） • 工业领域 a. 软磁材料 安泰 Vit 公司
铁基非晶条带 ----- 粉碎 ------ 热压 ------ 变压器芯 b. 硬磁材料 c. 储能材料 Ni-Based BMGs 电池 Nd-based BMGs
Tg as-cast
Tx
650
700
750
800
850
Temperature (K)
The DSC curve of Cu-based BMG
大块金属玻璃其他的物理性能研究
• 玻璃转变 (glass transition) 量变
从动力学来讲，玻璃转变对 应着结构驰豫(relaxation) 。 α-relaxation, β-relaxation 协同性 非协同性
第十一章 非晶合金（金属玻璃）
• 什么是金属玻璃
• 金属玻璃的形成条件及制备方法
• 金属玻璃的发展 • 大块金属玻璃目前研究的几个热点 • 大块金属玻璃的应用
一 什么是金属玻璃

金属的存在形式
(1) 以晶体形式存在
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 Cr, V, Nb, Mo, W 等; Cu, Ni, Al, Ag 等; Zn, Mg, Be 等.
(3) 大块金属玻璃实物
第一代
Pd-, Pt- based BMGs
形成能力非常强，Rc=0.1 K/s, (non-fluxed) Rc=0.01 K/s, (fluxed) tmax=100 mm
第二代
Zr-based BMGs
Vit 系列 形成能力强， Rc=1-100 K/s, tmax=30 mm
T (K)
Vit4, (Zr-based BMG)
Cu-Based BMG
Zr的超导温度为0.73 K, Nb的超导温度为9.26 K. 超导 YBaCuO, MgB2 Mg-based BMG-------MgB2
• 比热 (specific heat)
20.08554 7.38906
2.71828
(2)
常用的制备方法:
转速------冷速 铜模------冷速 (结构,材质,内孔直径)
a. 铜辊快冷制备条带 b. 铜模吸铸或浇铸
c. 水淬法
样品直径-----冷速
(3) 提高Leabharlann Baidu属玻璃形成能力(GFA)的主要途径
a. 增大冷却速率
b. 改变外界环境 c. 调整合金成分
采用新的冷却手段 (制备成本?)
高压------GFA增强 (样品尺寸?) 改变合金组元
(多组元; 负的混合热; 原子尺寸差)
三 金属玻璃的发展
(1)金属玻璃的产生
二十世纪三十年代, Bernne 蒸发沉积 Ni-P,Co-P 非晶膜 (不是严格意义的金属玻璃)
液体合金连续冷却
1960年，Duwez -- 液态喷雾淬冷方法 Au-Si 金属玻璃
• 超导 (superconductivity)
基本特征：零电阻，完全抗磁性。
180 150
120
a-Cu60Zr38Nb2 a-Cu60Zr32Nb8 a-Cu60Zr35Nb5 c-Cu60Zr35Nb5 (600C annealing for 2h)
(cm)
90
60
30
0 0 10 20 30 40 50
韧性提高
(2) 大块金属的加工性能的研究
a. 微加工性能 小型器件加工 (毫米级,微米级) b. 力学性能 强度,韧性,硬度,断裂
最近研究发现,在纳米范围内,金属玻璃断裂时,
出现韧窝,剪切带(shear bend)。
大块金属玻璃的强度和硬度
c. 焊接性能
Exothermic (a.u.)
在过冷液相区加工 粉末热压 焊接
Cp (J/mol*K)
1
a-Cu60Zr20Hf10Ti10 (J/mol*K) fit
Cu-based BMG
0.36788
0.13534
0.04979 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
T (K)
Einstein model 原子振动相互独立，且频率一样。
Debye model
储氢
d.装饰材料 Pd-, Pt-, Au-, Ag-based BMGs 金属光泽，耐氧化。
e. 体育器材
超弹性实验
高尔夫球杆 乒乓球拍 f. 电器外壳 手机，笔记本电脑
由液体向玻璃转变过程。 高压对玻璃转变影响，随压力增大而升高。 Quenched under high pressure.
• 原子扩散（Diffusion)
自扩散和互扩散（用同位素研究） 多组元，原子之间非对称性扩散。 Au-Si (PRL, 1981, W. L. Johnson) 不同温区原子的扩散机制是不同的，玻璃转变温度以下是单原子跳 跃，以上是有选择性的群体移动。（Nature , 1999, W. L. Johnson) 高压下扩散系数，扩散自由体积，扩散激活能等等。
特点: 原子排列长程有序
(2) 以非晶体形式存在
特点: 长程无序.
非晶金属具有与其他氧化物相似的特征, 如在一定温度下发生玻璃转变,晶 化等过程, 所以称为金属玻璃.
称呼: metallic glass, amorphous alloy
• 金属玻璃的结构特征
(1) 高密堆无序（密度）
(2) 新的局域结构 （RDF) (3) 大范围具有均匀形核特征