非晶态材料的结构特性与亚稳定性PPT(22张)

§3.3 非晶态材料的亚稳定性
亚稳态是指该状态下系统的自由能比平衡态 高，有向平衡态（晶态）转变的趋势。
如何形成亚稳态（形成原因） 非晶材料在制备过程中，因熔体急冷Baidu Nhomakorabea体系 粘度急剧增大，质点来不及作远程有序排列而 玻璃化，其释放的能量较结晶潜热小，即非晶 与晶体相比含有过剩的能量。
从热力学观点看，非晶态是能量的亚稳状 态，应具有自发放热和结晶的内在条件。而 常温下材料的粘度非常大，以致动力学条件 不足，阻碍了转化的进行。
Pd-Ni-Fe-P
Fe-(Al,Ga)(P,C,B,Si,Ge)
Fe-(Nb,Mo)(Al,Ga)-(P,C,B,Si)
Fe-(Zr,Hf,Nb)-B Co-Zr,Hf,Nb)-B Ni-Zr,Hf,Nb)-B
年代
1997 1995 1995 1996 1996 1996
§3.2 非晶态材料的结构特性
Zr-Al-Ni-P 和 Pd-Cu-Ni-P 非 晶 合 金 的 ΔTx 的 值 超 过 100K
Zr-Al-Ni-P 和 Pd-Cu-Ni-P 非 晶 合 金 的 ΔTx 的 值超过100K
§3.5 块状非晶合金的制备与性能
§3.5.1块状非晶合金的制备 制备：快速凝固和固结加工 快速凝固：水淬、铜型铸造、高压压铸、电弧炉熔炼、 不定向熔炼等 固结加工：对处于过冷液状态的雾化非晶粉末进行热 压或热挤压进行制备 La基、Mg基合金最大厚度为10mm，锆基为30mm，Fe 基10mm 采用水淬法制备直径为50mm和72mm的Pd40Cu30Ni10P20 非晶合金，表面光滑良好金属光泽
表3-1典型块状非晶合金及其开发年代
非铁类金属基合金 系
Mg-Ln-M(Ln镧系； Ni,Cu,Zn)
Ln-Ga-TM(Ⅵ-Ⅷ族 过渡金属)
Zr-Al-TM
Zr-Ti-TM-Be Pd-Cu-Ni-P Pd-Cu-B-Si
年代
1988 1990 1993 1995 1996 1996
铁类金属基合金 系
3.非晶态合金的物理性能 非晶合金具有良好的磁学性能，非晶合金因矫顽力 小、导磁率高、铁损小和非常适用于制作变压器、电磁 开关、磁放大器等的磁芯。非晶合金可屏蔽外来电磁场 对高分辨率电子显微镜的干扰;利用其优异的磁性能制作 各种磁记录头和磁光光盘等。 非晶态材料电学性能方面展现出许多优于品态的特 点，如非晶态合金具有比晶态合金大10一100倍的高电阻 率。部分非晶态合金还具有超导特性。
不同成分非晶态金属临界冷却速度在102-107K/s间变化，多数非 晶态合金在105-106K/s的冷却速度下制得
非晶形成能力：
1990年前发现的Fe基、Co基、Ni基非晶合金的临 界冷却速度Rc大于105K/s，厚度tmax限制在50μm以下，
而Pd-Ni-P和Pt-Ni-P 的Rc 在103K/s 数量级，熔体 未经净化处理条件下tmax为1-3mm
晶体



固体





非晶体
质点在三维空间作有规则的排列， 即远程有序
质点在三维空间排列没有规律性， 即远程无序， 不排除局部区域可能存在规则排列， 即近程有序
图3-1 气体、熔体、玻璃和晶体的X射线衍射图
晶体：有序结构，当晶面满足布拉维衍射条件时，便
会在特征角度出现尖锐的衍射峰
气体：完全无序的结构，因而出现散射现象 玻璃和熔体结构： • 存在相似性 • 介于有序和无序之间的一种状态，衍射图谱呈弥散 状衍射峰 • 近程有序、远程无序 • 在局部区域质点排列形式与晶体相似，但这种局部 有规则排列区域是高度分散的
它的强度和硬度比现有的许多晶态金属高， 能高达每平方毫米4000牛顿，超过了超高硬度工 具钢，同时还具有相对较高的韧性。
非晶合金的拉伸塑性较低，在拉伸时小于l％， 但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达 40 ％，非晶合金薄带弯达180o也不断裂。
2.良好的化学性能 非晶态合金比相同成分的晶态合金具有强得多的耐 腐蚀性能，如Fe43Cr16Mo16C18B8非晶合金的耐腐蚀性可 比不锈钢高一万多倍。 由于非晶态材料的显微组织均匀，不包含位错、晶 界等缺陷，使腐蚀液不能入侵。 同时，非晶态合金自身的活性很高，能够在表面迅 速的形成均匀的钝化膜，或一旦钝化膜局部破裂也能 够及时修复。
§3.4.2 非晶合金的性能
1.良好的力学性能 非晶态金属的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态 金属中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。这样就使得 非晶态金属既可以具有很高的强度和硬度，同时又能在室 温下产生塑性变形。 与结晶合金相比，非晶合金具有较高的拉伸强度和显 微硬度，较低的杨氏模量。在杨氏模量相同的情况下，非 晶合金的拉伸强度和显微硬度约为结晶合金的3倍
近年Mg、Ln、Zr、Fe、Pd、Co基合金系中发现 了新的多元非晶合金Rc 低至10-1K/s ，最大试样厚度 达到72mm
经验原则
随着约化玻璃转变温度Tg/Tm的提高，非晶形成 能力有明显提高趋势，具有较低临界冷却速度Rc和 较大临界厚度tmax的合金，Tg/Tm的值超过0.6
随着过冷液体温度区间ΔTx的提高， Rc降低而临 界厚度tmax增大
§3 非晶合金材料
§3.1非晶合金的发展历史 1960年Duwez等人采用Au-Si合金首次制备非晶相 二元非晶系合金一般是由过渡族金属或贵金属和玻璃 化非金属或类金属组成如Fe、Ni、Co等和B、Si、C、P等， 玻璃化元素原子百分比为15-30％ 主要的非晶合金系有： 贵金属基、铁基、钴基、镍基、钛基、锆基、铌基、 钼基镧系金属基、铝基、镁基合金等
当温度升高时，必然有向低能量转化的趋 势，产生晶化。
§3.4 非晶形成能力及主要参数
非晶态的形成 抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构 使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持稳 定，不向晶态转化 在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变 为非晶态
非晶的主要参数：
Rc：非晶形成临界冷却速度 tmax ：非晶形成临界厚度 玻璃转变温度 Tg和熔点 Tm， Tg/Tm ：约化玻璃转变温度 结晶温度 Tx ΔTx=Tx-Tg ：过冷液体温度区间