非晶合金 (1)

1、1非晶合金非晶合金(Amorphous alloy)1. 非晶合金的發(fā)展概況非晶合金的發(fā)展概況 2. 非晶合金的結(jié)構(gòu)非晶合金的結(jié)構(gòu) 3. 非晶合金的形成非晶合金的形成4. 非晶合金的性能非晶合金的性能5. 非晶合金的應(yīng)用非晶合金的應(yīng)用21.1.非晶合金的發(fā)展概況非晶合金的發(fā)展概況 (1) 非晶合金的概念非晶合金的概念 非晶態(tài)是指物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的一種狀態(tài)。目前，非晶態(tài)是指物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原子呈長(zhǎng)程無(wú)序排列的一種狀態(tài)。目前，非晶態(tài)物質(zhì)在自然界中占據(jù)了很大的比例，從傳統(tǒng)氧化物玻璃、鹵化物玻非晶態(tài)物質(zhì)在自然界中占據(jù)了很大的比例，從傳統(tǒng)氧化物玻璃、鹵化物玻璃和硫?qū)倩衔锊ＡВ椒蔷B(tài)半導(dǎo)

2、體，再到非晶態(tài)合金，非晶態(tài)材料已璃和硫?qū)倩衔锊Ａ?，到非晶態(tài)半導(dǎo)體，再到非晶態(tài)合金，非晶態(tài)材料已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的一類重要工程材料。經(jīng)成為支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的一類重要工程材料。非晶合金非晶合金就是這類特殊的非晶就是這類特殊的非晶態(tài)材料，其原于排列呈短程有序而長(zhǎng)程元序狀態(tài)，類似于普通玻璃的結(jié)構(gòu)，態(tài)材料，其原于排列呈短程有序而長(zhǎng)程元序狀態(tài)，類似于普通玻璃的結(jié)構(gòu)，因而也稱為金屬玻璃。因而也稱為金屬玻璃。 各種新型非晶態(tài)金屬具有優(yōu)異的力各種新型非晶態(tài)金屬具有優(yōu)異的力學(xué)特性學(xué)特性(強(qiáng)度高、彈性好、硬度高、沖擊強(qiáng)度高、彈性好、硬度高、沖擊韌性好、耐磨性好等韌性好、耐磨性好等)，電磁學(xué)特性，電磁學(xué)特性(優(yōu)優(yōu)異的

3、軟磁性能異的軟磁性能)，高的電阻率、化學(xué)特性，高的電阻率、化學(xué)特性(穩(wěn)定性高、耐蝕性好等穩(wěn)定性高、耐蝕性好等)，電化學(xué)特性，電化學(xué)特性及優(yōu)異的催化活性，已成為人類發(fā)展?jié)摷皟?yōu)異的催化活性，已成為人類發(fā)展?jié)摿艽蟮男虏牧?。力很大的新材料。圖圖1 各種材料性能對(duì)比各種材料性能對(duì)比3非晶態(tài)金屬合金按組成元素的不同可分為以下兩大類：非晶態(tài)金屬合金按組成元素的不同可分為以下兩大類： 1)金屬金屬-金屬型非晶態(tài)合金金屬型非晶態(tài)合金 這類非晶態(tài)合金主要是含這類非晶態(tài)合金主要是含Zr，如，如Cu-Zr、Ni-Zr(或或Pd、Ta、Ti)、Fe-Zr、Pd-Zr、Ni-Co-Zr(或或Nb、Ta、Ti)、Ni(和

4、和(或或)Co)-Pt等。等。 2)金屬金屬-類金屬型非晶態(tài)合金類金屬型非晶態(tài)合金 這類非晶態(tài)合金主要是由過(guò)渡金這類非晶態(tài)合金主要是由過(guò)渡金屬與硼和屬與硼和(或或)磷化合物等類金屬組成的二元和三元甚至多元的非晶態(tài)合磷化合物等類金屬組成的二元和三元甚至多元的非晶態(tài)合金，如金，如Fe72Cr8P13C7、Ni40B43等。由于類金屬的加入，顯著增加了金屬等。由于類金屬的加入，顯著增加了金屬形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。如少量稀土金屬的加入使形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。如少量稀土金屬的加入使 Ni-P合金的熱合金的熱穩(wěn)定性提高。穩(wěn)定性提高。(2) 非晶合金的產(chǎn)生與發(fā)展非晶合金的產(chǎn)生與發(fā)展 1934年，德國(guó)

5、人克雷默采用蒸發(fā)沉積法首先發(fā)現(xiàn)了附著在玻璃冷基年，德國(guó)人克雷默采用蒸發(fā)沉積法首先發(fā)現(xiàn)了附著在玻璃冷基底上的非晶態(tài)金屬膜。底上的非晶態(tài)金屬膜。1947年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局的年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局的A. Brenner用電解用電解和化學(xué)鍍法首次制備出了和化學(xué)鍍法首次制備出了Ni-P非晶態(tài)金屬膜，但沒(méi)有引起重視。非晶態(tài)金屬膜，但沒(méi)有引起重視。4 1960年，加州理工學(xué)院年，加州理工學(xué)院Duwez等采用液態(tài)金屬急冷的方法制備細(xì)晶粒等采用液態(tài)金屬急冷的方法制備細(xì)晶粒合金時(shí)偶然得到了非晶態(tài)金屬。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)的合金時(shí)偶然得到了非晶態(tài)金屬。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)的Miroshnichienco和和Salli也報(bào)道了制

6、備非晶態(tài)金屬的相似裝置和結(jié)果。金屬熔滴噴射到冷基板也報(bào)道了制備非晶態(tài)金屬的相似裝置和結(jié)果。金屬熔滴噴射到冷基板上，分散成薄膜從而快速凝固，這一技術(shù)又稱噴射冷卻，它可產(chǎn)生大于上，分散成薄膜從而快速凝固，這一技術(shù)又稱噴射冷卻，它可產(chǎn)生大于106K/s的冷卻速度。的冷卻速度。 1969年，年，Pond和和Maddin關(guān)于制備一定連續(xù)長(zhǎng)度條帶技術(shù)關(guān)于制備一定連續(xù)長(zhǎng)度條帶技術(shù)的發(fā)表的發(fā)表帶來(lái)制備非晶合金的決定性的發(fā)展。這一技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金創(chuàng)造帶來(lái)制備非晶合金的決定性的發(fā)展。這一技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金創(chuàng)造了條件，激發(fā)了人們研究開發(fā)非晶合金的濃厚興趣。了條件，激發(fā)了人們研究開發(fā)非晶合金的濃厚興趣。

7、 通過(guò)將液態(tài)合金急冷的方式制備亞穩(wěn)態(tài)非晶，冷卻的速率達(dá)通過(guò)將液態(tài)合金急冷的方式制備亞穩(wěn)態(tài)非晶，冷卻的速率達(dá)105106K/s，這就限制了非晶材料的厚度，只能生產(chǎn)非晶合金厚度約為幾十到幾，這就限制了非晶材料的厚度，只能生產(chǎn)非晶合金厚度約為幾十到幾百個(gè)微米的薄帶。而且用途也主要局限于生產(chǎn)轉(zhuǎn)換磁心和磁敏感元件。百個(gè)微米的薄帶。而且用途也主要局限于生產(chǎn)轉(zhuǎn)換磁心和磁敏感元件。 20世紀(jì)世紀(jì)90年代，將冷卻的速率降到只有年代，將冷卻的速率降到只有1100K/s，才生產(chǎn)出了均勻，才生產(chǎn)出了均勻的塊狀非晶，現(xiàn)在非晶鑄塊的厚度可達(dá)到幾十厘米。但是由于數(shù)量的限制，的塊狀非晶，現(xiàn)在非晶鑄塊的厚度可達(dá)到幾十厘米。但是

8、由于數(shù)量的限制，到目前為止對(duì)塊狀非晶的研究還是比較少。到目前為止對(duì)塊狀非晶的研究還是比較少。5 目前，非晶態(tài)金屬材料在制備和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了極大的進(jìn)展。美、目前，非晶態(tài)金屬材料在制備和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了極大的進(jìn)展。美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家非晶合金的生產(chǎn)已進(jìn)入大批量、商業(yè)化階段，廣泛應(yīng)用于電日等發(fā)達(dá)國(guó)家非晶合金的生產(chǎn)已進(jìn)入大批量、商業(yè)化階段，廣泛應(yīng)用于電力、電子及其他領(lǐng)域。力、電子及其他領(lǐng)域。 1976年，我國(guó)開始非晶態(tài)合金的研究工作，非晶態(tài)合金材料走過(guò)了從年，我國(guó)開始非晶態(tài)合金的研究工作，非晶態(tài)合金材料走過(guò)了從實(shí)驗(yàn)室材料工藝研究到百噸級(jí)中間試驗(yàn)的階段，如今，中國(guó)非晶態(tài)合金的實(shí)驗(yàn)室材料工藝研究到百噸級(jí)中間

9、試驗(yàn)的階段，如今，中國(guó)非晶態(tài)合金的科研開發(fā)和應(yīng)用能力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，共取得科研開發(fā)和應(yīng)用能力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，共取得100多項(xiàng)科研成果和多項(xiàng)科研成果和20多項(xiàng)專利。多項(xiàng)專利。 2000年，千噸級(jí)的非晶帶材生產(chǎn)線成功噴出了年，千噸級(jí)的非晶帶材生產(chǎn)線成功噴出了220mm寬的非晶帶材寬的非晶帶材(目前美國(guó)生產(chǎn)的非晶帶的最大寬度為目前美國(guó)生產(chǎn)的非晶帶的最大寬度為217mm)，其表面質(zhì)量良好。，其表面質(zhì)量良好。 我國(guó)現(xiàn)在正致力于大塊非晶合金的研究和開發(fā)，并在非晶形成的機(jī)理我國(guó)現(xiàn)在正致力于大塊非晶合金的研究和開發(fā)，并在非晶形成的機(jī)理方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)相關(guān)機(jī)理，采用吸鑄法已制備出直徑達(dá)方面

10、取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)相關(guān)機(jī)理，采用吸鑄法已制備出直徑達(dá)30mm的的Zr基非晶合金，而對(duì)基非晶合金，而對(duì)PdNi-Cu-P的尺寸已達(dá)的尺寸已達(dá)72mm。 我國(guó)還制定了非晶態(tài)金屬的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括我國(guó)還制定了非晶態(tài)金屬的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括28個(gè)牌號(hào)，初步形成系列個(gè)牌號(hào)，初步形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化?；蜆?biāo)準(zhǔn)化。6 新型非晶態(tài)材料不斷涌現(xiàn)，如快冷鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、新型非晶態(tài)材料不斷涌現(xiàn)，如快冷鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鐵合金、鎳合金、鈷合金、快冷金屬間化合物、快冷零維材料、快冷高鐵合金、鎳合金、鈷合金、快冷金屬間化合物、快冷零維材料、快冷高Tc超導(dǎo)材料等。到目前為止，我國(guó)已生產(chǎn)出大量漏電開

11、關(guān)，用非晶合金系列超導(dǎo)材料等。到目前為止，我國(guó)已生產(chǎn)出大量漏電開關(guān)，用非晶合金系列制作了小功率脈沖變壓器和制作了小功率脈沖變壓器和500kV大功率變壓器，并將非晶合金應(yīng)用到磁大功率變壓器，并將非晶合金應(yīng)用到磁頭、磁放大器、磁分離、傳感器、電感器件、磁屏蔽等方面。頭、磁放大器、磁分離、傳感器、電感器件、磁屏蔽等方面。 非晶態(tài)金屬材料的發(fā)展還與納米材料的發(fā)展密切相關(guān)，通過(guò)大塊非晶非晶態(tài)金屬材料的發(fā)展還與納米材料的發(fā)展密切相關(guān)，通過(guò)大塊非晶合金的晶化可制備有特殊性能的全致密、顆粒小合金的晶化可制備有特殊性能的全致密、顆粒小(510nm)、界面清潔的、界面清潔的三維大尺寸塊狀納米金屬合金材料。三維大尺

12、寸塊狀納米金屬合金材料。 72.2.非晶合金的結(jié)構(gòu)非晶合金的結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)材料許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。在非晶態(tài)非晶態(tài)材料許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。在非晶態(tài)金屬中，最近鄰原子間距與晶體的差別很小，配位數(shù)也接近，但是，在次金屬中，最近鄰原子間距與晶體的差別很小，配位數(shù)也接近，但是，在次近鄰原子的關(guān)系上就有顯著的差別。而各原子之間的結(jié)合特性與晶體并無(wú)近鄰原子的關(guān)系上就有顯著的差別。而各原子之間的結(jié)合特性與晶體并無(wú)本質(zhì)的變化。本質(zhì)的變化。(1) 非晶合金的結(jié)構(gòu)特征非晶合金的結(jié)構(gòu)特征 1)短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序性短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序性 晶體的特征是長(zhǎng)程有序，原子在三維方晶體的特

13、征是長(zhǎng)程有序，原子在三維方向有規(guī)則地重復(fù)出現(xiàn)，呈周期性。而非晶態(tài)的原子排列無(wú)周期性，是指在向有規(guī)則地重復(fù)出現(xiàn)，呈周期性。而非晶態(tài)的原子排列無(wú)周期性，是指在長(zhǎng)程上是無(wú)規(guī)的，但在近鄰范圍，原子的排列還是保持一定的規(guī)律。這就長(zhǎng)程上是無(wú)規(guī)的，但在近鄰范圍，原子的排列還是保持一定的規(guī)律。這就是所謂的短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序性，短程有序區(qū)應(yīng)小于是所謂的短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序性，短程有序區(qū)應(yīng)小于(1.50.1)nm 。這。這種長(zhǎng)程無(wú)序除結(jié)構(gòu)無(wú)序外，對(duì)于成分來(lái)說(shuō)，也是無(wú)序的，即化學(xué)無(wú)序。種長(zhǎng)程無(wú)序除結(jié)構(gòu)無(wú)序外，對(duì)于成分來(lái)說(shuō)，也是無(wú)序的，即化學(xué)無(wú)序。 2)均勻性和各向同性均勻性和各向同性 非晶合金的均勻性也包含兩種含義：

14、非晶合金的均勻性也包含兩種含義：結(jié)構(gòu)均結(jié)構(gòu)均勻勻 它是單相無(wú)定形結(jié)構(gòu)，各向同性，不存在晶體的結(jié)構(gòu)缺陷，如晶界、它是單相無(wú)定形結(jié)構(gòu)，各向同性，不存在晶體的結(jié)構(gòu)缺陷，如晶界、孿晶、晶格缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)等；孿晶、晶格缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)等；成分均勻成分均勻 無(wú)晶體那樣的異相、析無(wú)晶體那樣的異相、析出物、偏析以及其他成分起伏。出物、偏析以及其他成分起伏。8 3)均勻性均勻性和各向同性和各向同性 在熔化溫度以下，晶體與非晶體相比，晶體的在熔化溫度以下，晶體與非晶體相比，晶體的自由能比非晶體的自由能低，因此非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)，非晶態(tài)固體總有自由能比非晶體的自由能低，因此非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)，非晶態(tài)固體總有向晶態(tài)

15、轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。這種穩(wěn)定性直接關(guān)系到非晶體的壽命和應(yīng)用。向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。這種穩(wěn)定性直接關(guān)系到非晶體的壽命和應(yīng)用。(2)非晶合金的結(jié)構(gòu)模型非晶合金的結(jié)構(gòu)模型 1)硬球無(wú)規(guī)密堆模型硬球無(wú)規(guī)密堆模型 Bernal發(fā)現(xiàn)無(wú)序密發(fā)現(xiàn)無(wú)序密堆結(jié)構(gòu)中僅有五種不同的多面體組成，如圖堆結(jié)構(gòu)中僅有五種不同的多面體組成，如圖2所所示，其中四面體和正八面體也存在于密排晶體示，其中四面體和正八面體也存在于密排晶體中。三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面體，則中。三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面體，則是非晶態(tài)所特有的結(jié)構(gòu)單元。但是，沒(méi)有一種是非晶態(tài)所特有的結(jié)構(gòu)單元。但是，沒(méi)有一種實(shí)際的非晶態(tài)合金可以看做由硬球組成，或只實(shí)際的非晶態(tài)合

16、金可以看做由硬球組成，或只含有一種原子。進(jìn)一步考慮兩種或更多組元及含有一種原子。進(jìn)一步考慮兩種或更多組元及化學(xué)性質(zhì)因素，提出松弛的無(wú)規(guī)密堆結(jié)構(gòu)模型?；瘜W(xué)性質(zhì)因素，提出松弛的無(wú)規(guī)密堆結(jié)構(gòu)模型。從而可解釋非晶合金的某些性能，如彈性、振從而可解釋非晶合金的某些性能，如彈性、振動(dòng)、某些合金的磁性等問(wèn)題。動(dòng)、某些合金的磁性等問(wèn)題。圖圖2 非晶態(tài)的五種結(jié)構(gòu)非晶態(tài)的五種結(jié)構(gòu)a) 四面體四面體;b)正八面體正八面體;c)三棱柱三棱柱;d)阿基米德反棱柱阿基米德反棱柱;e)十二面體十二面體9 2)微晶模型微晶模型 非晶態(tài)材料是由晶粒非常細(xì)小的微晶組成，大小為十幾非晶態(tài)材料是由晶粒非常細(xì)小的微晶組成，大小為十幾至

17、幾十埃（幾個(gè)至十幾個(gè)原子間距），如圖至幾十埃（幾個(gè)至十幾個(gè)原子間距），如圖3所示。這樣晶粒內(nèi)的短程有所示。這樣晶粒內(nèi)的短程有序與晶體的完全相同，而長(zhǎng)程無(wú)序是各晶粒的取向雜亂分布的結(jié)果。這種序與晶體的完全相同，而長(zhǎng)程無(wú)序是各晶粒的取向雜亂分布的結(jié)果。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是可以定性說(shuō)明非晶態(tài)衍射試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)是可以定性說(shuō)明非晶態(tài)衍射試驗(yàn)的結(jié)果，比較簡(jiǎn)單，有通用性，但是從這種的結(jié)果，比較簡(jiǎn)單，有通用性，但是從這種模型計(jì)算得到的徑向分布函數(shù)或雙體關(guān)聯(lián)函模型計(jì)算得到的徑向分布函數(shù)或雙體關(guān)聯(lián)函數(shù)與實(shí)驗(yàn)難以定量符合，而且晶粒間界處的數(shù)與實(shí)驗(yàn)難以定量符合，而且晶粒間界處的原子分布情況不清楚。當(dāng)晶粒非常微小時(shí)，原子分

18、布情況不清楚。當(dāng)晶粒非常微小時(shí)，晶界處原子數(shù)與晶粒內(nèi)原子數(shù)可能有相同的晶界處原子數(shù)與晶粒內(nèi)原子數(shù)可能有相同的數(shù)量級(jí)，不考慮晶界上原子的分布情況是不數(shù)量級(jí)，不考慮晶界上原子的分布情況是不合理的。合理的。圖圖3 非晶態(tài)的微晶模型非晶態(tài)的微晶模型 3)拓?fù)錈o(wú)序模型拓?fù)錈o(wú)序模型 這類模型認(rèn)為非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排這類模型認(rèn)為非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和無(wú)序，即原子間的距離和各對(duì)原子間的夾角都沒(méi)有明顯的規(guī)律列的混亂和無(wú)序，即原子間的距離和各對(duì)原子間的夾角都沒(méi)有明顯的規(guī)律性，如圖性，如圖4所示。這類模型強(qiáng)調(diào)的是無(wú)序，把非晶中實(shí)際存在的短程有序所示。這類模型強(qiáng)調(diào)的是無(wú)序，把非晶中實(shí)際

19、存在的短程有序10看做是無(wú)規(guī)律堆積中附帶產(chǎn)生的結(jié)果。由于看做是無(wú)規(guī)律堆積中附帶產(chǎn)生的結(jié)果。由于非晶態(tài)有接近晶態(tài)的密度，這種無(wú)規(guī)律不是非晶態(tài)有接近晶態(tài)的密度，這種無(wú)規(guī)律不是絕對(duì)的，因其未包含短程有序。但從拓?fù)錈o(wú)絕對(duì)的，因其未包含短程有序。但從拓?fù)錈o(wú)序模型得到的結(jié)果基本上與實(shí)驗(yàn)一致，所以，序模型得到的結(jié)果基本上與實(shí)驗(yàn)一致，所以，可把拓?fù)錈o(wú)序模型當(dāng)作絕對(duì)零度下的非晶態(tài)可把拓?fù)錈o(wú)序模型當(dāng)作絕對(duì)零度下的非晶態(tài)理想的模擬。理想的模擬。圖圖4 拓?fù)錈o(wú)序模型拓?fù)錈o(wú)序模型(3)非晶合金的結(jié)構(gòu)變化非晶合金的結(jié)構(gòu)變化 Tg稱為非晶的玻璃化溫度，高溫相冷卻到此溫度，從過(guò)冷液體到非稱為非晶的玻璃化溫度，高溫相冷卻到此溫

20、度，從過(guò)冷液體到非晶玻璃轉(zhuǎn)變，此轉(zhuǎn)變有比熱容突變，體積和嫡無(wú)突變，故是二級(jí)相變。晶玻璃轉(zhuǎn)變，此轉(zhuǎn)變有比熱容突變，體積和嫡無(wú)突變，故是二級(jí)相變。Tx稱晶化溫度，稱晶化溫度，Tx Tg，在此溫度下非晶開始向晶體轉(zhuǎn)變，是一級(jí)相變。，在此溫度下非晶開始向晶體轉(zhuǎn)變，是一級(jí)相變。 1)低溫弛豫低溫弛豫T Tg 非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，可看作是深度過(guò)冷的液非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，可看作是深度過(guò)冷的液體。在室溫下，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，低溫下退火，發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，體。在室溫下，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，低溫下退火，發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，系統(tǒng)自由能下降，材料趨于穩(wěn)定。在系統(tǒng)自由能下降，材料趨于穩(wěn)定。在 Tg溫度下面，材料的非晶態(tài)特征

21、溫度下面，材料的非晶態(tài)特征并不改變，但由于非晶態(tài)原子間的堆積處于不穩(wěn)定，原子間位置會(huì)發(fā)生并不改變，但由于非晶態(tài)原子間的堆積處于不穩(wěn)定，原子間位置會(huì)發(fā)生11調(diào)整，以降低系統(tǒng)的自由能，這稱為低溫弛豫。非晶合金在低溫弛豫階調(diào)整，以降低系統(tǒng)的自由能，這稱為低溫弛豫。非晶合金在低溫弛豫階段的擴(kuò)散系數(shù)段的擴(kuò)散系數(shù)D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度高于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度高于Tg的擴(kuò)散系數(shù)的擴(kuò)散系數(shù)Dn；電阻率隨溫度升高；電阻率隨溫度升高而增大；彈性模量增加。此過(guò)程也會(huì)影響非晶的性能，如而增大；彈性模量增加。此過(guò)程也會(huì)影響非晶的性能，如Tb（鋱）（鋱）Fe2薄膜，可通過(guò)此法，使磁矯頑力從薄膜，可通過(guò)此法，使磁矯頑力從8103A/m增加

22、至增加至3105A/m。 2)晶化晶化T Tg 在適當(dāng)條件下，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，向穩(wěn)定的晶態(tài)過(guò)在適當(dāng)條件下，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，向穩(wěn)定的晶態(tài)過(guò)渡，稱晶化。有些晶化過(guò)程會(huì)出現(xiàn)另一些新的未知亞穩(wěn)相和一系列過(guò)飽渡，稱晶化。有些晶化過(guò)程會(huì)出現(xiàn)另一些新的未知亞穩(wěn)相和一系列過(guò)飽和的固溶體，此時(shí)其穩(wěn)定性比非晶要好，會(huì)改善某些性能。如鐵基、鎳和的固溶體，此時(shí)其穩(wěn)定性比非晶要好，會(huì)改善某些性能。如鐵基、鎳基、鈷基非晶在剛達(dá)晶化溫度時(shí)，可獲得高強(qiáng)度的微晶?；?、鈷基非晶在剛達(dá)晶化溫度時(shí)，可獲得高強(qiáng)度的微晶。123.3.非晶合金的形成非晶合金的形成(1)非晶合金的形成非晶合金的形成 1)非晶合金的制備方法非晶合金的制備方法

23、 獲得非晶的關(guān)鍵問(wèn)題是要有足夠快的冷卻速度，冷卻到獲得非晶的關(guān)鍵問(wèn)題是要有足夠快的冷卻速度，冷卻到Tg溫度以下。溫度以下。 由汽相直接凝聚由汽相直接凝聚 真空約真空約10-8Pa蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉淀蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉淀 (CVD)等。蒸發(fā)和濺射可超過(guò)等。蒸發(fā)和濺射可超過(guò)108K/s冷卻速度，因此可用于制備許多冷卻速度，因此可用于制備許多液態(tài)急冷方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的非晶。如純金屬、半導(dǎo)體等非晶。但非晶的液態(tài)急冷方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的非晶。如純金屬、半導(dǎo)體等非晶。但非晶的生長(zhǎng)速率很低，一般只用來(lái)制備薄膜。離子濺射沉積的速率一般為生長(zhǎng)速率很低，一般只用來(lái)制備薄膜。離子濺射沉積的速率一般為110nm

24、/s，比蒸發(fā)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，最近達(dá)到，比蒸發(fā)高一個(gè)數(shù)量級(jí)，最近達(dá)到1m/min，可制作厚膜。，可制作厚膜?；瘜W(xué)氣相沉積是將反應(yīng)氣體通過(guò)加熱的襯底，反應(yīng)的生成物在襯底上化學(xué)氣相沉積是將反應(yīng)氣體通過(guò)加熱的襯底，反應(yīng)的生成物在襯底上沉淀，只適用于沉淀，只適用于Tx晶化溫度高的半導(dǎo)體材料。晶化溫度高的半導(dǎo)體材料。 液體急冷法液體急冷法 目前驟冷法仍是最主要的方法，其基本原理是先將合金目前驟冷法仍是最主要的方法，其基本原理是先將合金加熱熔融成液態(tài)，然后通過(guò)各種不同的途徑使它們以加熱熔融成液態(tài)，然后通過(guò)各種不同的途徑使它們以105108K/s的高的高速冷卻，致使液態(tài)金屬的無(wú)序結(jié)構(gòu)得以保存下來(lái)而形成非晶態(tài)，樣

25、品速冷卻，致使液態(tài)金屬的無(wú)序結(jié)構(gòu)得以保存下來(lái)而形成非晶態(tài)，樣品13 依制備過(guò)程不同呈幾微米至幾十微米厚的簿片、薄帶或細(xì)絲。熔融母依制備過(guò)程不同呈幾微米至幾十微米厚的簿片、薄帶或細(xì)絲。熔融母合金的冷卻速率決定了所得合金樣品的非晶化程度。通過(guò)調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)合金的冷卻速率決定了所得合金樣品的非晶化程度。通過(guò)調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速，隨著冷卻速率的增加，合金逐漸由晶態(tài)向非晶態(tài)過(guò)渡，當(dāng)達(dá)到一速，隨著冷卻速率的增加，合金逐漸由晶態(tài)向非晶態(tài)過(guò)渡，當(dāng)達(dá)到一定冷卻速率時(shí)，得到完全的非晶態(tài)金屬合金。采用此法制備的非晶態(tài)定冷卻速率時(shí)，得到完全的非晶態(tài)金屬合金。采用此法制備的非晶態(tài)合金通常具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐蝕件和其他優(yōu)異的電磁

26、性能。合金通常具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐蝕件和其他優(yōu)異的電磁性能。 由晶體制備由晶體制備 通過(guò)幅照、離子注入、沖擊波等方法制備。高能注入的通過(guò)幅照、離子注入、沖擊波等方法制備。高能注入的粒子，與被注入的材料的原子核及電子碰撞時(shí)，發(fā)生能量損失，因此粒子，與被注入的材料的原子核及電子碰撞時(shí)，發(fā)生能量損失，因此離子注入有一定的射程，只能得到薄層的非晶。激光或電子束的能量離子注入有一定的射程，只能得到薄層的非晶。激光或電子束的能量密度較高密度較高(100kw/cm2)，可使幅照表面局部熔化，并以，可使幅照表面局部熔化，并以4l045106K/s的冷卻速率，如對(duì)的冷卻速率，如對(duì)Pd91.7Cu4.2Si5

27、.1合金，可在表面合金，可在表面產(chǎn)生產(chǎn)生400m厚的非晶層。厚的非晶層。14(2)非晶合金的形成條件非晶合金的形成條件 1)Tg溫度溫度 稱玻璃化溫度，一般定義過(guò)冷液體冷卻到稱玻璃化溫度，一般定義過(guò)冷液體冷卻到Tg溫度以下，它溫度以下，它的粘度達(dá)到的粘度達(dá)到1012Pas時(shí)就為非晶態(tài)。不同的冷卻速度，會(huì)有不同的非晶結(jié)時(shí)就為非晶態(tài)。不同的冷卻速度，會(huì)有不同的非晶結(jié)構(gòu)，因此構(gòu)，因此Tg本身與冷卻速度有關(guān)。本身與冷卻速度有關(guān)。Tg=Tm-Tg (Tm為熔點(diǎn)為熔點(diǎn))，Tg越小，獲越小，獲得非晶的幾率越高。得非晶的幾率越高。 2)臨界冷卻速度臨界冷卻速度 理論上從結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)兩方面，可以對(duì)臨界冷卻速理論

28、上從結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)兩方面，可以對(duì)臨界冷卻速度作出預(yù)測(cè)性的估計(jì)：液體淬火的冷卻速度應(yīng)在度作出預(yù)測(cè)性的估計(jì)：液體淬火的冷卻速度應(yīng)在1012K/s，但在實(shí)際上無(wú)，但在實(shí)際上無(wú)法達(dá)到，因此對(duì)純金屬和少量溶質(zhì)原子的稀合金只能用氣相沉積。法達(dá)到，因此對(duì)純金屬和少量溶質(zhì)原子的稀合金只能用氣相沉積。 3)合金化合金化 通過(guò)加入溶質(zhì)原子，特別是這些溶質(zhì)原子和基體原子的尺通過(guò)加入溶質(zhì)原子，特別是這些溶質(zhì)原子和基體原子的尺寸和電負(fù)性差別較大時(shí)，一方面使寸和電負(fù)性差別較大時(shí)，一方面使Tm下降，另一方面使下降，另一方面使Tg上升，上升，Tg=Tm-Tg變小，有利于非晶形成。也可以用一個(gè)約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度變小，有利于非晶形成

29、。也可以用一個(gè)約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg=Tg/Tm來(lái)分來(lái)分析。隨著合金元素含量的增加，液相線下降，并出現(xiàn)深共晶，大多有利于析。隨著合金元素含量的增加，液相線下降，并出現(xiàn)深共晶，大多有利于非晶形成。非晶形成。15 合金各組元的尺寸相差大，一般原子尺寸差合金各組元的尺寸相差大，一般原子尺寸差1020的系統(tǒng)，形成的系統(tǒng)，形成非晶的范圍都比較寬，形成非晶容易。原子間的電負(fù)性差越大，交互作用非晶的范圍都比較寬，形成非晶容易。原子間的電負(fù)性差越大，交互作用越強(qiáng)并可導(dǎo)致形成金屬間化合物。金屬和類金屬原子間的交互作用很強(qiáng)，越強(qiáng)并可導(dǎo)致形成金屬間化合物。金屬和類金屬原子間的交互作用很強(qiáng)，故非晶合金中常包含有類金屬

30、元素。故非晶合金中常包含有類金屬元素。(3)非晶態(tài)合金系非晶態(tài)合金系 1)過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬-類金屬系類金屬系(TL-M系系)后過(guò)渡金屬元素后過(guò)渡金屬元素 包括周期表中包括周期表中B B族元素和族元素和族元素及族元素及B B族貴金屬。這類合金的典型例子有族貴金屬。這類合金的典型例子有Pd80Si20、Ni80P20、Au75Si25、Fe80B20、Pt75P25等。其中類金屬元素的摩爾分?jǐn)?shù)在等。其中類金屬元素的摩爾分?jǐn)?shù)在1325%，處于深共晶范圍。另有一些非晶態(tài)合金的類金屬元素含量，處于深共晶范圍。另有一些非晶態(tài)合金的類金屬元素含量可在較大范圍內(nèi)變化，如可在較大范圍內(nèi)變化，如Ni-B3141，

31、Co-B1741，Pt-Sb(銻銻)3436.5。 在二元合金的基礎(chǔ)上加入一種或多種金屬或過(guò)渡金屬元素替代部分在二元合金的基礎(chǔ)上加入一種或多種金屬或過(guò)渡金屬元素替代部分基體金屬，可使非晶形成范圍加寬，如基體金屬，可使非晶形成范圍加寬，如Pd78Cu6Si16、Pd40Ni40P20。在。在Ni92Si8中加入硼，中加入硼，Ni92-xSi8Bx，x可在可在1039范圍內(nèi)變化，如實(shí)用意義很范圍內(nèi)變化，如實(shí)用意義很大的大的Fe-Si-B非晶合金。非晶合金。16 后來(lái)發(fā)現(xiàn)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，B B和和B B族的前過(guò)渡金屬族的前過(guò)渡金屬-類金屬類金屬(摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)1530%)系系(TE-M系系)，位于共晶

32、點(diǎn)附近合金也可形成非晶。這類合金的共晶溫度比，位于共晶點(diǎn)附近合金也可形成非晶。這類合金的共晶溫度比TL-M系高，范圍也比較窄，但加入第二種前過(guò)渡金屬，可使非晶態(tài)形成系高，范圍也比較窄，但加入第二種前過(guò)渡金屬，可使非晶態(tài)形成范圍擴(kuò)大，如范圍擴(kuò)大，如Ti5Nb35Si15、W60lr(銥銥)20B23金屬。金屬。 2)TE-TL(IB)系系 前過(guò)渡金屬的熔點(diǎn)較高，加入后過(guò)渡金屬或前過(guò)渡金屬的熔點(diǎn)較高，加入后過(guò)渡金屬或IB族后族后使熔點(diǎn)急劇下降，達(dá)深共晶，并出現(xiàn)多種金屬間化合物，非晶態(tài)的成分使熔點(diǎn)急劇下降，達(dá)深共晶，并出現(xiàn)多種金屬間化合物，非晶態(tài)的成分范圍也較寬，如范圍也較寬，如Cu-Ti3570、

33、Ni-Zr6080、Nb-Ni4066。有的在低濃度區(qū)有。有的在低濃度區(qū)有一窄的非晶形成范圍，如一窄的非晶形成范圍，如Co-Zr916、Fe-Zr911，是很有用的軟磁材料。，是很有用的軟磁材料。 鑭系稀土金屬和后過(guò)渡金屬二元系鑭系稀土金屬和后過(guò)渡金屬二元系(Re-TL系系)共晶溫度也很低，也可共晶溫度也很低，也可獲得非晶，其中大多是富稀土合金，如獲得非晶，其中大多是富稀土合金，如LaAu1826、La78Ni22、Gd-Fe3250、Er68Fe32、Gd-Co4050等。等。 3)錒系金屬系錒系金屬系 以釷、鈾、镎、钚等錒系金屬為基的低共晶溫度的以釷、鈾、镎、钚等錒系金屬為基的低共晶溫度的

34、非晶態(tài)合金，如非晶態(tài)合金，如U-Co2440、Np-Ga3040、Pu-Ni1280等。等。174.4.非晶合金的性能非晶合金的性能(1)力學(xué)性能力學(xué)性能 1)高強(qiáng)度和高韌性高強(qiáng)度和高韌性 非晶態(tài)合金具有極高的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，非晶態(tài)合金具有極高的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并兼?zhèn)淞己玫乃苄?。從表并兼?zhèn)淞己玫乃苄浴谋?所列的一些典型非晶態(tài)合金的強(qiáng)度和硬度可所列的一些典型非晶態(tài)合金的強(qiáng)度和硬度可見，鐵基和鈷基非晶合金的維氏硬度可達(dá)見，鐵基和鈷基非晶合金的維氏硬度可達(dá)980以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)4000MPa以上，這比目前高強(qiáng)度鋼還要高出許多。表以上，這比目前高強(qiáng)度鋼還要高出許多。表1中

35、列出的抗拉強(qiáng)中列出的抗拉強(qiáng)度和彈性模量度和彈性模量E的比值約為的比值約為1/50，比金屬材料的理論值，比金屬材料的理論值(1/20)低一倍，而低一倍，而比現(xiàn)在金屬材料達(dá)到的實(shí)際值比現(xiàn)在金屬材料達(dá)到的實(shí)際值(1/500) 高一個(gè)數(shù)量級(jí)。非晶合金的高一個(gè)數(shù)量級(jí)。非晶合金的HV/b值為值為0.250.35，接近于無(wú)加工硬化材料的，接近于無(wú)加工硬化材料的0.30。Fe80B20非晶合金的屈非晶合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)服強(qiáng)度可達(dá)3.6GPa，而碳纖維絲的屈服強(qiáng)度也只有，而碳纖維絲的屈服強(qiáng)度也只有3.33.5Gpa。 非晶合金的伸長(zhǎng)率僅非晶合金的伸長(zhǎng)率僅1%，但其變形能力很高。如，但其變形能力很高。如Pd77.

36、5Cu6Si16.5合合金的伸長(zhǎng)率為金的伸長(zhǎng)率為0.3但其壓縮率可達(dá)但其壓縮率可達(dá)40%，可冷軋，無(wú)加工硬化，總壓縮，可冷軋，無(wú)加工硬化，總壓縮量可達(dá)量可達(dá)50%而不產(chǎn)生裂縫?？梢姡蔷Ш辖鸬膹?qiáng)度大大高于金屬，而伸而不產(chǎn)生裂縫?？梢姡蔷Ш辖鸬膹?qiáng)度大大高于金屬，而伸長(zhǎng)率卻勝過(guò)玻璃。長(zhǎng)率卻勝過(guò)玻璃。18非晶合金非晶合金硬度硬度(HV)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b/MPa彈性模量彈性模量E/MPab/EHV/bFe80P20700-Fe80B20108034001.71050.0200.32Fe90Zr106402160-0.30Fe80P13C776030401.21050.0250.25Fe78B10S

37、i1291033001.21050.0280.25Fe62Cr12Mo8C189003200-0.28Fe62Mo20C169703800-0.26Fe46Cr16Mo20C1811303900-0.29Co90Zr106001860-0.29Co78Si10B1291030000.91050.0340.30Co56Cr26C188903230-0.28Co44Mo36C2011903800-0.31Co34Cr28Mo20C1814004020-0.35Ni90Zr105501760-0.31Ni78Si10B1286024500.81050.0310.35Ni34Cr20Mo28C1810

38、603430-0.31Pd80Si2032513300.71050.0200.24Cu80Zr204101860-0.22Nb50Ni50893-1.3105-Ti50Cu50610-1.0105-表表1 一些典型非晶態(tài)合金的硬度和強(qiáng)度一些典型非晶態(tài)合金的硬度和強(qiáng)度19 非晶合金的疲勞強(qiáng)度同樣很高，在非晶合金的疲勞強(qiáng)度同樣很高，在107周循環(huán)下，周循環(huán)下，F(xiàn)e-Ni基非晶合金基非晶合金為為650900MPa，鈷基非晶合金則可達(dá)，鈷基非晶合金則可達(dá)1200MPa。 非晶態(tài)合金中的提高非晶態(tài)形成能力的類金屬元素非晶態(tài)合金中的提高非晶態(tài)形成能力的類金屬元素M(硼、碳、硅、硼、碳、硅、磷、鍺磷、鍺)按

39、周期表中的周期數(shù)和族數(shù)的增加，形成非晶的硬度下降。其他按周期表中的周期數(shù)和族數(shù)的增加，形成非晶的硬度下降。其他合金元素替代鐵來(lái)看，如在合金元素替代鐵來(lái)看，如在Fe-PC 合金中加入的合金元素原子序數(shù)大于合金中加入的合金元素原子序數(shù)大于鐵的鐵的(鈷、鎳鈷、鎳)使硬度下降，小于鐵的使硬度下降，小于鐵的(釩、鉻、錳釩、鉻、錳)硬度提高。同樣對(duì)于周硬度提高。同樣對(duì)于周期表中族數(shù)低于鎳期表中族數(shù)低于鎳(鐵、釩、鉻、錳、鐵、鈷鐵、釩、鉻、錳、鐵、鈷)的元素替代鎳使非晶強(qiáng)度的元素替代鎳使非晶強(qiáng)度增加，而用原子序數(shù)高于鎳的銅替代，強(qiáng)度則下降。增加，而用原子序數(shù)高于鎳的銅替代，強(qiáng)度則下降。 非晶非晶Fe80Si

40、13C7的斷裂韌度很高的斷裂韌度很高1.1107J/cm2, Pd80Si20為為0.4107J/cm2，Cu57Er43為為0.6107J/cm2，而玻璃是，而玻璃是102J/cm2，復(fù)合，復(fù)合材料材料105J/cm2，鋼及鋁合金，鋼及鋁合金106J/cm2。 2)艾林瓦艾林瓦(Elinvar)特性特性 材料在一定溫度范圍內(nèi)，彈性模量隨溫度材料在一定溫度范圍內(nèi)，彈性模量隨溫度的變化極小。晶態(tài)的的變化極小。晶態(tài)的Ni36Cr12Fe52用于制造精密儀器中的彈簧等。許多非用于制造精密儀器中的彈簧等。許多非20晶態(tài)鐵基合金由于大的自發(fā)體積磁致伸縮導(dǎo)致其彈性模量的變化，形成晶態(tài)鐵基合金由于大的自發(fā)體

41、積磁致伸縮導(dǎo)致其彈性模量的變化，形成E效應(yīng)，即艾林瓦特性。使其在室溫附近，彈性模量和剪切彈性模量不效應(yīng)，即艾林瓦特性。使其在室溫附近，彈性模量和剪切彈性模量不隨溫度而變化。圖隨溫度而變化。圖5是彈性模量和溫度的關(guān)系圖，可以看出，是彈性模量和溫度的關(guān)系圖，可以看出，F(xiàn)e79B21、Fe80B20、Fe82B18、Fe83B17、Fe85B15、Fe86B14合金在合金在Tc溫度下，溫度下，E幾乎不隨溫幾乎不隨溫度變化，硼摩爾分?jǐn)?shù)為度變化，硼摩爾分?jǐn)?shù)為1518的合的合金，金，E的溫度系數(shù)幾乎為零。的溫度系數(shù)幾乎為零。圖圖5 彈性模量和溫度的關(guān)系彈性模量和溫度的關(guān)系 由于非晶合金的制造條件，適當(dāng)?shù)赜?/p>

42、于非晶合金的制造條件，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整輥的轉(zhuǎn)速，即使是非鐵磁性合金，調(diào)整輥的轉(zhuǎn)速，即使是非鐵磁性合金，如如Pd-Si系，也能得到艾林瓦特性。系，也能得到艾林瓦特性。 由于非晶合金的亞穩(wěn)性質(zhì)，其彈性由于非晶合金的亞穩(wěn)性質(zhì)，其彈性模量模量EE0-ET隨時(shí)間不斷下降，相當(dāng)隨時(shí)間不斷下降，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定(未老化未老化)。21(2)熱學(xué)性能熱學(xué)性能 1)熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 非晶合金的居里點(diǎn)非晶合金的居里點(diǎn)Tc和晶化溫度和晶化溫度Tx低時(shí)，穩(wěn)定性就差。低時(shí)，穩(wěn)定性就差。通過(guò)成分調(diào)節(jié)，可提高非晶熱穩(wěn)定性。如在通過(guò)成分調(diào)節(jié)，可提高非晶熱穩(wěn)定性。如在Co-Fe-Si-B非晶中，添加鎳、非晶中，添加

43、鎳、鈮、鉻、鉬、鍺、鎢、錫、鈦、鋯、釩、鉭等元素可提高熱穩(wěn)定性，其鈮、鉻、鉬、鍺、鎢、錫、鈦、鋯、釩、鉭等元素可提高熱穩(wěn)定性，其中中(Co0.93Fe0.07)75-xCrxSi15B10非晶由于鉻的加入而顯著提高熱穩(wěn)定性。非晶由于鉻的加入而顯著提高熱穩(wěn)定性。 2)因瓦因瓦(Invar)效應(yīng)效應(yīng) 指在一定的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)極微的效指在一定的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)極微的效應(yīng)。晶態(tài)的應(yīng)。晶態(tài)的wNi=36的鐵鎳合金，用于制造標(biāo)準(zhǔn)量具、鐘、表、天平等的鐵鎳合金，用于制造標(biāo)準(zhǔn)量具、鐘、表、天平等精密儀器的部件。但晶態(tài)的因瓦合金在低溫時(shí)發(fā)生相變而不能使用。而精密儀器的部件。但晶態(tài)的因瓦合金在低溫時(shí)

44、發(fā)生相變而不能使用。而非晶態(tài)的非晶態(tài)的Fe-B基因瓦合金從基因瓦合金從-195300溫區(qū)其膨系數(shù)溫區(qū)其膨系數(shù)在在-810-6/810-6/之間，在室溫之間，在室溫值達(dá)值達(dá)10-7/。非晶態(tài)的。非晶態(tài)的Fe-Ni-Zr、Fe-Co-Zr合合金的抗拉強(qiáng)度為金的抗拉強(qiáng)度為2500MPa，比晶態(tài)的，比晶態(tài)的450MPa要高許多。一些三元的非要高許多。一些三元的非晶態(tài)合金如晶態(tài)合金如Fe80P13C7、 Fe85.5P7.5C7、Fe79Si10B11等，在低于居里溫度時(shí)等，在低于居里溫度時(shí)有很大的負(fù)溫度系數(shù)，通過(guò)成分的調(diào)整，可獲得膨脹系數(shù)等于零的非晶有很大的負(fù)溫度系數(shù)，通過(guò)成分的調(diào)整，可獲得膨脹系數(shù)等

45、于零的非晶態(tài)因瓦合金。態(tài)因瓦合金。22(3)電學(xué)性能電學(xué)性能 1)電阻率電阻率 非晶態(tài)合金在室溫下的電阻率約為非晶態(tài)合金在室溫下的電阻率約為5035010-8m，比晶，比晶態(tài)大二倍。電阻率溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小，并常常是負(fù)值。態(tài)大二倍。電阻率溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小，并常常是負(fù)值。 2)低溫區(qū)電阻率出現(xiàn)極小低溫區(qū)電阻率出現(xiàn)極小 隨隨T的變化分成三個(gè)階段，在溫度的變化分成三個(gè)階段，在溫度20K附近有一極小。極小值的溫度與合金元素有關(guān)，與居里溫度不存在關(guān)系。附近有一極小。極小值的溫度與合金元素有關(guān)，與居里溫度不存在關(guān)系。(4)磁學(xué)性能磁學(xué)性能 1)軟磁性軟磁性 非晶態(tài)合金由于它是無(wú)序結(jié)構(gòu)，不存在磁晶各向

46、異性，而非晶態(tài)合金由于它是無(wú)序結(jié)構(gòu)，不存在磁晶各向異性，而且無(wú)位錯(cuò)、晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，故磁導(dǎo)率、飽和磁感高，矯頑力、損耗小，且無(wú)位錯(cuò)、晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，故磁導(dǎo)率、飽和磁感高，矯頑力、損耗小，具有軟磁性特性。目前，非晶態(tài)軟磁合金可分為兩大類，即具有高飽和具有軟磁性特性。目前，非晶態(tài)軟磁合金可分為兩大類，即具有高飽和磁感應(yīng)值的鐵基非晶態(tài)合金和具有高磁導(dǎo)率特性的鈷基非晶態(tài)合金。磁感應(yīng)值的鐵基非晶態(tài)合金和具有高磁導(dǎo)率特性的鈷基非晶態(tài)合金。 高磁感應(yīng)非晶合金高磁感應(yīng)非晶合金 由由Fe80B20發(fā)展而來(lái)，如發(fā)展而來(lái)，如Fe-B-C和和Fe-B-Si是兩種是兩種典型的高磁感應(yīng)非品合金。可適當(dāng)?shù)丶尤肷倭康拟捇蜴嚕?/p>

47、或進(jìn)行適當(dāng)?shù)湫偷母叽鸥袘?yīng)非品合金?？蛇m當(dāng)?shù)丶尤肷倭康拟捇蜴嚕蜻M(jìn)行適當(dāng)23 的退火處理。磁感應(yīng)的退火處理。磁感應(yīng)Bs是現(xiàn)有非晶態(tài)合金中最高的，可達(dá)是現(xiàn)有非晶態(tài)合金中最高的，可達(dá)1.71.75T。其軟磁特性比其軟磁特性比Fe-3Si晶體軟磁合金優(yōu)越，但磁致伸縮系數(shù)較大晶體軟磁合金優(yōu)越，但磁致伸縮系數(shù)較大(3010-6)。圖。圖6是典型的非晶合金是典型的非晶合金Fe81B13.5Si3.5C2與晶態(tài)與晶態(tài)0.3mm硅硅鋼鋼Fe-3Si合金的磁滯回線的比較，其矯頑力和損耗都比合金的磁滯回線的比較，其矯頑力和損耗都比Fe-3Si小。小。 Fe-Ni基合金中的鐵和鎳含量大致基合金中的鐵和鎳含量大致相等，

48、相等，Bs=0.71.0T，屬于中等水，屬于中等水平。加入鎳后可以大大提高非晶平。加入鎳后可以大大提高非晶形成能力，提高韌性，同時(shí)將磁形成能力，提高韌性，同時(shí)將磁致伸縮系數(shù)降至致伸縮系數(shù)降至10l0-6。加入類。加入類金屬元素硅、硼，并加人少量的金屬元素硅、硼，并加人少量的鉬可以得到最佳的軟磁性能。鉬可以得到最佳的軟磁性能。圖圖6 Fe81B13.5Si3.5C2與與Fe-3Si磁致回線磁致回線 高磁導(dǎo)率非晶合全高磁導(dǎo)率非晶合全 以鐵、鈷為主的非晶磁性合金是一種高磁導(dǎo)率的以鐵、鈷為主的非晶磁性合金是一種高磁導(dǎo)率的軟磁合金，主要用于信息處理器件，如作磁頭材料。晶體材料的磁各軟磁合金，主要用于信息

49、處理器件，如作磁頭材料。晶體材料的磁各向異性使磁導(dǎo)率下降，矯頑力增加，磁滯損失增加，而非晶材料無(wú)磁向異性使磁導(dǎo)率下降，矯頑力增加，磁滯損失增加，而非晶材料無(wú)磁24 各向異性。非晶態(tài)合金的電阻率高，有利于降低渦流損失；另外，非各向異性。非晶態(tài)合金的電阻率高，有利于降低渦流損失；另外，非晶態(tài)合金硬度高，耐磨性也高，耐蝕性也好，易獲得薄帶，減少高頻晶態(tài)合金硬度高，耐磨性也高，耐蝕性也好，易獲得薄帶，減少高頻下的渦流損失，因此，非晶態(tài)磁頭材料具有良好的綜合性能。為獲得下的渦流損失，因此，非晶態(tài)磁頭材料具有良好的綜合性能。為獲得高磁導(dǎo)率非晶合金，通過(guò)調(diào)整成分，使磁致伸縮系數(shù)高磁導(dǎo)率非晶合金，通過(guò)調(diào)整成分

50、，使磁致伸縮系數(shù)0，使，使TcTx。Co-Zr系和系和Co-TM-B(TM-過(guò)渡金屬過(guò)渡金屬)系，兩種非晶態(tài)合金，其磁致伸縮系，兩種非晶態(tài)合金，其磁致伸縮系數(shù)接近于零，特性軟，而且晶化溫度高。表系數(shù)接近于零，特性軟，而且晶化溫度高。表2是鈷基非晶合金的磁是鈷基非晶合金的磁性能列舉。性能列舉。 2)磁致伸縮磁致伸縮 非晶合金的磁致伸縮可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，和合金非晶合金的磁致伸縮可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，和合金的成分及熱處理工藝有關(guān)。的成分及熱處理工藝有關(guān)。Co78Si8B14的磁致伸縮系數(shù)是負(fù)的，的磁致伸縮系數(shù)是負(fù)的，s=-410-6，而，而(Fe5Co95)78Si8B4成分附近成分附近s0

51、，(Fe95Co5)78Si8B4合金的磁合金的磁致伸縮最大致伸縮最大s=4410-6，和金屬鎳的，和金屬鎳的s相當(dāng)。在不含鈷的合金系中，相當(dāng)。在不含鈷的合金系中，s隨鎳含量的增加而減小，在隨鎳含量的增加而減小，在(Fe20Ni80)78Si8B14附近附近s=0。 (FeCoNi)-(SiB)系合金的磁致伸縮與溫度有關(guān)，含鐵量高的合金，系合金的磁致伸縮與溫度有關(guān)，含鐵量高的合金，s隨溫度的上升單調(diào)下降，而含鈷和含鎳高的合金，隨溫度的上升單調(diào)下降，而含鈷和含鎳高的合金，s的變化顯得比較的變化顯得比較25復(fù)雜。采用不同的熱處理工藝，復(fù)雜。采用不同的熱處理工藝，s會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，如會(huì)出現(xiàn)明顯的變

52、化，如Fe100-xBx合金，合金，x12時(shí)，時(shí)，s3410-6，經(jīng)，經(jīng)3003h熱處理，熱處理，s可達(dá)到可達(dá)到4910-6。合金合金B(yǎng)s/THc/(A/m)e(1kHz, 0.8A/m)Tx/Tc/Co83.5W6Zr10.50.720.88800578453Co79Cr10.6Zr10.40.670.814000540433Co77Cr11.7Zr11.30.540.634800549360Co80.4V9.8Zr9.80.770.612600520-Co81.5Mo9.5Zr9.00.730.26800526576Co78Mo9B2Zr110.620.820000565361Co80Mo

53、6.5B2Zr8.50.750.63400(起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率)588568Co80Mo6.5B5Zr8.50.770.82000(起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率)508600Co80Ni10Si2Zr81.001.6-500700Co84Cr7B1Zr81.000.82000(起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率)580700Co68Mn10B221.000.426000452613Co70Mn10B240.950.528000466434Co68Mn8B240.890.340000513323Co76Ti18B60.651.412000485413Co74Zr12B140.692.610000616428Co76

54、Zr12B120.741.911000605450Co76Hf12B120.761.812400600458表表2 Co-Zr和和Co-TM-B系非晶合金的磁性能系非晶合金的磁性能26(5)化學(xué)性能化學(xué)性能 1)耐蝕性耐蝕性 結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序，無(wú)晶界，快速冷卻，無(wú)偏析和夾雜，使非結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序，無(wú)晶界，快速冷卻，無(wú)偏析和夾雜，使非晶具有良好的抗局部腐蝕能力。但這類非晶合金中必須加入鉻，含晶具有良好的抗局部腐蝕能力。但這類非晶合金中必須加入鉻，含wCr=10的非晶態(tài)鐵基合金在濃鹽酸的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼（不銹鋼有嚴(yán)重的點(diǎn)腐的非晶態(tài)鐵基合金在濃鹽酸的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼（不銹鋼有嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕）。含蝕）。含7

55、9%(摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù))鉻的鎳基非晶晶態(tài)合金鉻的鎳基非晶晶態(tài)合金Ni72Cr8P15B5在在60的的wFeCl6H2O=10溶液中，不顯示腐蝕，而不銹鋼卻產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。對(duì)溶液中，不顯示腐蝕，而不銹鋼卻產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。對(duì)Fe-Cr合合金，則需金，則需wCr=30才可在上述溶液中不產(chǎn)生腐蝕。才可在上述溶液中不產(chǎn)生腐蝕。 金屬金屬-類金屬非晶態(tài)合金的抗蝕性依賴于合金中的主金屬元素、添加金類金屬非晶態(tài)合金的抗蝕性依賴于合金中的主金屬元素、添加金屬元素、類金屬元素的性質(zhì)。無(wú)第二、第三添加金屬時(shí)，合金的腐蝕速度屬元素、類金屬元素的性質(zhì)。無(wú)第二、第三添加金屬時(shí)，合金的腐蝕速度是按鐵基、鈷基、鎳基非晶態(tài)金屬的順序減

56、少，當(dāng)添加適量的第二、第三是按鐵基、鈷基、鎳基非晶態(tài)金屬的順序減少，當(dāng)添加適量的第二、第三金屬元素時(shí)，這些非晶態(tài)金屬的抗蝕性將大大改善。改善其抗蝕性的最佳金屬元素時(shí)，這些非晶態(tài)金屬的抗蝕性將大大改善。改善其抗蝕性的最佳第二添加金屬是鉻，第三添加金屬元素是鉬，類金屬元素是磷。當(dāng)鉻、鉬、第二添加金屬是鉻，第三添加金屬元素是鉬，類金屬元素是磷。當(dāng)鉻、鉬、磷同時(shí)存在于金屬磷同時(shí)存在于金屬-類金屬非晶態(tài)合金中時(shí)，合金的腐蝕速度按鐵基、鈷基、類金屬非晶態(tài)合金中時(shí)，合金的腐蝕速度按鐵基、鈷基、鎳基的順序增加。鎳基的順序增加。27 2)催化性能催化性能 非晶態(tài)金屬表面能高，可以連續(xù)改變成分，具有明顯的非晶態(tài)金

57、屬表面能高，可以連續(xù)改變成分，具有明顯的催化性能。作為催化劑被應(yīng)用始于催化性能。作為催化劑被應(yīng)用始于20世紀(jì)世紀(jì)80年代。非晶態(tài)金屬催化劑主要年代。非晶態(tài)金屬催化劑主要應(yīng)用于催化劑加氫、催化脫氫、催化氧化及電催化反應(yīng)等。觸媒劑在化學(xué)應(yīng)用于催化劑加氫、催化脫氫、催化氧化及電催化反應(yīng)等。觸媒劑在化學(xué)工業(yè)中具有相當(dāng)重要的地位，高效率的觸媒劑對(duì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高、工業(yè)中具有相當(dāng)重要的地位，高效率的觸媒劑對(duì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高、能源的節(jié)約以及新化工產(chǎn)品的產(chǎn)生起著重要的作用。不同的化學(xué)反應(yīng)要求能源的節(jié)約以及新化工產(chǎn)品的產(chǎn)生起著重要的作用。不同的化學(xué)反應(yīng)要求特定的觸媒劑，非晶態(tài)合金具有傳統(tǒng)材料無(wú)法比擬

58、的優(yōu)異觸媒性能。特定的觸媒劑，非晶態(tài)合金具有傳統(tǒng)材料無(wú)法比擬的優(yōu)異觸媒性能。 3)貯氫性能貯氫性能 非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的貯氫性能。某些非晶態(tài)金屬通非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的貯氫性能。某些非晶態(tài)金屬通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以吸收和釋放出氫，可以用作貯氫材料。一些非晶態(tài)合金具過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以吸收和釋放出氫，可以用作貯氫材料。一些非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的貯氫性能，貯氫后非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，但原子間距膨脹。有優(yōu)良的貯氫性能，貯氫后非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，但原子間距膨脹。有些非晶態(tài)金屬由于吸氫后轉(zhuǎn)變成為晶態(tài)，這是由于氫化物形成是放熱反有些非晶態(tài)金屬由于吸氫后轉(zhuǎn)變成為晶態(tài)，這是由于氫化物形成是放熱反應(yīng)，非晶合金吸氫時(shí)，

59、由于發(fā)熱而升溫產(chǎn)生晶化。非晶態(tài)金屬的吸氫量是應(yīng)，非晶合金吸氫時(shí)，由于發(fā)熱而升溫產(chǎn)生晶化。非晶態(tài)金屬的吸氫量是隨氫原子能占據(jù)的場(chǎng)所的數(shù)目以及易產(chǎn)生氫化物的元素含量的增加而增加。隨氫原子能占據(jù)的場(chǎng)所的數(shù)目以及易產(chǎn)生氫化物的元素含量的增加而增加。根據(jù)這個(gè)道理，若在氫原子能占據(jù)的場(chǎng)所填入了類金屬元素的原子，那么根據(jù)這個(gè)道理，若在氫原子能占據(jù)的場(chǎng)所填入了類金屬元素的原子，那么將不能貯氫。如在將不能貯氫。如在TiNi合金中添加硼、硅時(shí)，吸氫量減少。合金中添加硼、硅時(shí)，吸氫量減少。28(6)光學(xué)性能光學(xué)性能 金屬材料的光學(xué)特性受其金屬原子的電子狀態(tài)所支配，某些非晶態(tài)金金屬材料的光學(xué)特性受其金屬原子的電子狀態(tài)

60、所支配，某些非晶態(tài)金屬由于其特殊的電子狀態(tài)而其有十分優(yōu)異的對(duì)太陽(yáng)光能的吸收能力。所屬由于其特殊的電子狀態(tài)而其有十分優(yōu)異的對(duì)太陽(yáng)光能的吸收能力。所以利用某些非晶態(tài)材料能夠制造出相當(dāng)理想的高效率的太陽(yáng)能吸收器。以利用某些非晶態(tài)材料能夠制造出相當(dāng)理想的高效率的太陽(yáng)能吸收器。非晶態(tài)金屬具有良好的抗輻射（中子、非晶態(tài)金屬具有良好的抗輻射（中子、射線等）能力，使其在火箭、宇射線等）能力，使其在火箭、宇航、核反應(yīng)堆、受控?zé)岷朔磻?yīng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。航、核反應(yīng)堆、受控?zé)岷朔磻?yīng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。295.5.非晶合金的應(yīng)用非晶合金的應(yīng)用(1)軟磁鐵心軟磁鐵心 利用非晶合金的軟磁特性可以在許多需使用軟