第7章-非晶態(tài)合金

非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金的分類(lèi)非晶態(tài)金屬的發(fā)展歷史非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)金屬性能特點(diǎn)及應(yīng)用大塊非晶合金（補(bǔ)充）一、非晶態(tài)金屬合金的分類(lèi)非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金統(tǒng)稱(chēng)為“金屬玻璃”。以極高的速度使熔融狀態(tài)的合金冷卻，凝固后的合金呈玻璃態(tài)，即長(zhǎng)程無(wú)序狀態(tài)。可分為兩大類(lèi)：（1）金屬＋金屬型(主要是含Zr

Fe90Zr10,Re-TM,LT-ET,鋁基和鎂基）（2）金屬＋類(lèi)金屬型（TM-M）（Fe,Co,Ni)-(B,Si,P,C)這類(lèi)非晶態(tài)合金主要是由過(guò)渡金屬與B或和P等類(lèi)金屬組成的二元或三元，甚至多元的非晶態(tài)合金二、非晶態(tài)金屬的發(fā)展歷史非晶態(tài)合金1、非晶態(tài)金屬的發(fā)展簡(jiǎn)史2、我國(guó)非晶態(tài)金屬材料的發(fā)展現(xiàn)狀1934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1959～1960年間真正標(biāo)志著非晶態(tài)金屬的誕生1960年提出非晶態(tài)金屬具有鐵磁性，1965年被證實(shí)1971年非晶態(tài)合金首次進(jìn)入市場(chǎng)1980年非晶態(tài)金屬作為催化劑開(kāi)展了大量研究三、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金1、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)（1）內(nèi)部原子排列短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序

主要特點(diǎn)7-1氣體、液體和固體的原子分布函數(shù)三、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金(2)均勻性

顯著特點(diǎn)一層含義：結(jié)構(gòu)均勻、各向同性，它是單相無(wú)定形結(jié)構(gòu)，沒(méi)有象晶體那樣的結(jié)構(gòu)缺陷，如晶界、孿晶、晶格缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)等。二層含義：成分均勻性。在非晶態(tài)金屬形成過(guò)程中，無(wú)晶體那樣的異相、析出物、偏析以及其他成分起伏（3）熱力學(xué)不穩(wěn)定性體系自由能較高，有轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的傾向2、非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)模型（1）微晶模型三、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金（2）拓?fù)錈o(wú)序模型認(rèn)為非晶態(tài)材料是由“晶?！狈浅＜?xì)小的微晶粒組成。微晶模型用于描述非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中原子排列情況還存在許多問(wèn)題，使人們逐漸對(duì)其持否定態(tài)度。該模型認(rèn)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和隨機(jī)性，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的無(wú)序性，而把短程有序看作是無(wú)規(guī)堆積時(shí)附帶產(chǎn)生的結(jié)果。

三、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非晶態(tài)合金7.2非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型此模型對(duì)于描述非晶態(tài)材料的真實(shí)結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠準(zhǔn)確。但目前用其解釋非晶態(tài)材料的某些特性如彈性，磁性等，還是取得了一定的成功。四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金1、非晶態(tài)的形成條件制備非晶態(tài)材料必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是必須形成原子（或分子）混亂排列的狀態(tài)二是將這種熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)在一定溫度范圍內(nèi)保存下來(lái)，使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變?cè)瓌t上，所有金屬熔體都可以通過(guò)急冷制成非晶體。也就是說(shuō)，只要冷卻速度足夠快．使熔體中原子來(lái)不及作規(guī)則排列就完成凝固過(guò)程，即可形成非晶態(tài)金屬。四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金比熱容溫度Tg

Tm液體過(guò)冷液體玻璃態(tài)晶態(tài)7-3液態(tài)金屬凝固時(shí)比熱容的變化對(duì)純金屬而言，臨界冷速一般為108

K/s,而合金106

K/s四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金2、非晶態(tài)金屬的制備方法制備原理：使液態(tài)金屬以大于臨界冷卻速度急速冷卻，使結(jié)晶過(guò)程受阻而形成非晶態(tài)；將這種熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)保存下來(lái)冷卻到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以下而不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。（1）驟冷法基本原理：先將金屬或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105～108

K/s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)。采用此法制備的非晶態(tài)合金通常具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐蝕性和其它優(yōu)異的電磁性能。四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金（2）化學(xué)還原法基本原理：用還原劑KBH4(或NaBH4)和NaH2PO4分別還原金屬的鹽溶液，得到非晶態(tài)合金

(3)沉積法由該法制備的非晶態(tài)合金組成不受低共熔點(diǎn)的限制。通過(guò)蒸發(fā)、濺射、電解等方法使金屬原子凝聚或沉積而成。(4)化學(xué)鍍法四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金非晶態(tài)金屬合金的電沉積有兩大優(yōu)點(diǎn):首先從實(shí)用的角度，這些合全都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，優(yōu)異的磁性能，較好的耐腐蝕能力和電催化活性。其次在理論意義上，合金的電沉積往往屬于異常共沉積或誘導(dǎo)共沉積的類(lèi)型。利用激光，離子注入、噴鍍、爆炸成型等方法使材料結(jié)構(gòu)無(wú)序化。已廣泛應(yīng)用于制造各種特殊的功能材料。四、非晶態(tài)金屬的制備非晶態(tài)合金3、影響非晶態(tài)合金形成的幾個(gè)因素（1）合金中類(lèi)金屬的含量隨類(lèi)金屬含量的增加，非晶態(tài)合金的形成傾向和穩(wěn)定性提高（2）原子尺寸差別原子尺度增加則非晶態(tài)合金形成傾向和穩(wěn)定性增加五、非晶態(tài)金屬性能特點(diǎn)及應(yīng)用非晶態(tài)合金1、力學(xué)性能非晶態(tài)合金的硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性明顯高于普通鋼鐵材料。鐵基和鎳基非晶態(tài)金屬的抗張強(qiáng)度可達(dá)4000MPa左右，鎳基的非晶也可達(dá)到3500MPa左右，都比晶態(tài)鋼絲材料高。非晶態(tài)合金的延伸率一般較低，但其韌性很好，壓縮變形時(shí)，壓縮率可達(dá)40％，軋制壓率可達(dá)50％以上而不產(chǎn)生裂紋；彎曲時(shí)可以彎至很小曲率半徑而不折斷。五、非晶態(tài)金屬性能特點(diǎn)及應(yīng)用非晶態(tài)合金2、軟磁特性無(wú)序不存在磁晶各向異性易于磁化沒(méi)有位錯(cuò)、晶界等缺陷磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高；矯頑力低，損耗小是理想的軟磁材料。3、化學(xué)性能（1）耐蝕性非晶態(tài)合金的耐蝕性主要是由于生產(chǎn)過(guò)程中的快冷，導(dǎo)致擴(kuò)散來(lái)不及進(jìn)行，所以不存在第二相，組織均勻；其無(wú)序結(jié)構(gòu)中不存在晶界，位錯(cuò)等缺陷；非晶態(tài)合金本身活性很高能夠在表面迅速形成均勻的鈍化膜，阻止內(nèi)部進(jìn)一步腐蝕。目前對(duì)耐蝕性能研究較多印是鐵基、鎳基、鈷基非晶態(tài)臺(tái)金，其中大都含有鉻。五、非晶態(tài)金屬性能特點(diǎn)及應(yīng)用非晶態(tài)合金（2）催化性能非晶態(tài)金屬表面能高，可連續(xù)改變成分，具有明顯的催化性能。(3)貯氫性能4、光學(xué)性能金屬材料的光學(xué)特性受其金屬原于的電子狀態(tài)所支配，某些非晶態(tài)金屬由于其特殊的電子狀態(tài)面具有十分優(yōu)異的對(duì)太陽(yáng)光能的吸收能力。非晶態(tài)金屬具有良好的抗輻射(中子、Y射線等)能力，六、常見(jiàn)的非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金1）

過(guò)渡族金屬與類(lèi)金屬元素形成的合金

主要包括VIIB，VIIIB族及IB族元素與類(lèi)金屬元素形成的合金，如Pd80Si20，Au75Si25，F(xiàn)e80B20，Pt75P25等，合金中類(lèi)金屬元素的含量一般在13％—25％（原子百分比）。但近年也發(fā)現(xiàn)了一些類(lèi)金屬元素含量可在一定范圍內(nèi)變化的非晶態(tài)合金，如NiB31-34，CoB17-41，PtSb34-36.5等。在這類(lèi)合金基礎(chǔ)上可加入一種或多種元素形成三元甚至多元合金，如在Pd80P20中加入Ni，形成Pd40Ni40P20。研究表明，這種三元合金形成非晶態(tài)要比對(duì)應(yīng)的二元合金容易得多。此外，IVB和VIB族金屬與類(lèi)金屬也可以形成非晶態(tài)合金。如TiSi15-20等。2)過(guò)渡族金屬元素之間形成的合金這類(lèi)合金在很寬的溫度范圍內(nèi)熔點(diǎn)都比較低、形成非晶態(tài)的成分范圍較寬。如Cu-Ti33-70,Cu—Zr27.5-75,Ni—Zr27.5-75，等。3）含IIA

族(堿金屬)元素的二元或多元臺(tái)金如Ca—A112.5-17.5，Ca—Cu12.6-62.5,Ca—Pd，Mg一Zn25-32，Be—Zr50-70，Sr70Mg30等。這類(lèi)合金的缺點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)較活潑，必須在惰性氣體中淬火、最終制得的非晶態(tài)材料容易氧化。除以上三類(lèi)非晶態(tài)合金外，還有以錒系金屬為基的非晶態(tài)合金，如U—Co24-40,Np（镎）—Ca30-40，Pu（钚）—Ni12-30等。七、大塊非晶合金非晶態(tài)合金 一般非晶合金多呈很薄的條帶或細(xì)絲狀、粉末等，其厚度小于50um，非晶合金的許多優(yōu)良特性在實(shí)際中不能發(fā)揮出來(lái)。因此，三維非晶合金的制備具有重要意義。七、大塊非晶合金非晶態(tài)合金1、制備方法

a.由非晶態(tài)粉末間接制備大塊非晶

b.直接從液相獲得大塊非晶

要求合金熔體具有很強(qiáng)的非晶形成能力，即低的臨界冷速和寬的過(guò)冷液相區(qū)。這樣的合金系應(yīng)具備三個(gè)特征：

1)合金系由三種以上組元組成；

2）主要組元的原子要有12%以上的原子尺寸差；

3）各組元間要有大的負(fù)混合熱。

七、大塊非晶合金非晶態(tài)合金常用方法：電弧熔煉法、銅模鑄造法、水淬法