非晶合金材料

非晶合金材料非晶合金材料非晶合金的发展历史非晶合金的发展历史19601960年年DuwezDuwez等人采用等人采用Au-SiAu-Si合金首次制备非晶相合金首次制备非晶相二元非晶系合金一般是由二元非晶系合金一般是由过渡族金属过渡族金属或或贵金属贵金属和和玻璃化非玻璃化非金属或类金属金属或类金属组成如组成如FeFe、NiNi、CoCo等和等和B B、Si Si、C C、P P等，玻等，玻璃化元素原子百分比为璃化元素原子百分比为15-3015-30主要的非晶合金系有：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、镁基合金等镧系金属基、铝基、镁基合金等非铁类金属基合金非铁类金属基合金系系年代年代铁类金属基合金铁类金属基合金系系年代年代Mg-Ln-M(Ln镧系；镧系；Ni,Cu,Zn)1988Pd-Ni-Fe-P1997Ln-Ga-TM(-族族过渡金属过渡金属)1990Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)1995Zr-Al-TM1993Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,C,B,Si)1995Zr-Ti-TM-Be1995Fe-(Zr,Hf,Nb)-B1996Pd-Cu-Ni-P1996Co-Zr,Hf,Nb)-B1996Pd-Cu-B-Si1996Ni-Zr,Hf,Nb)-B1996下表为典型块状非晶合金及其开发年代下表为典型块状非晶合金及其开发年代质点在三维空间排列没有规律性，质点在三维空间排列没有规律性，即远程无序，即远程无序，不排除局部区域可能存在规则排列，不排除局部区域可能存在规则排列，即近程有序即近程有序 质点在三维空间作有规则的排列，质点在三维空间作有规则的排列，即远程有序即远程有序 非晶体晶体固体 非晶态材料的结构特性非晶态材料的结构特性图图1 1 气体、熔体、玻璃和晶体的气体、熔体、玻璃和晶体的X X射线衍射图射线衍射图 晶体：晶体：有序结构，当晶面满足布拉维衍射条件时，便有序结构，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会在特征角度出现尖锐的衍射峰气体：气体：完全无序的结构，因而出现散射现象完全无序的结构，因而出现散射现象玻璃和熔体结构：玻璃和熔体结构： 存在相似性存在相似性 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状衍射峰 近程有序、远程无序近程有序、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有规则排列区域是高度分散的 非晶态材料的亚稳定性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，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。有向平衡态（晶态）转变的趋势。如何形成亚稳态（形成原因）如何形成亚稳态（形成原因）非晶材料在制备过程中，因熔体急冷使体系粘非晶材料在制备过程中，因熔体急冷使体系粘度急剧增大，质点来不及作远程有序排列而玻度急剧增大，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。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。不足，阻碍了转化的进行。当温度升高时，必然有向低能量转化的趋当温度升高时，必然有向低能量转化的趋势，产生晶化。势，产生晶化。非晶态的形成非晶态的形成 v 抑制抑制熔体熔体中的形核和长大，保持液态结构中的形核和长大，保持液态结构v 使使非晶态亚稳结构非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持稳在一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化定，不向晶态转化v 在在晶态固体中引入或造成无序晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变，使晶态转变为非晶态为非晶态 非晶形成能力及主要参数非晶形成能力及主要参数非晶的主要参数：非晶的主要参数：R Rc c：非晶形成临界冷却速度：非晶形成临界冷却速度t tmaxmax ：非晶形成临界厚度：非晶形成临界厚度玻璃转变温度玻璃转变温度 T Tg g和熔点和熔点 T Tm m，T Tg g/T/Tm m ：约化玻璃转变温度：约化玻璃转变温度结晶温度结晶温度 T Tx x T Tx x=T=Tx x-T-Tg g ：过冷液体温度区间：过冷液体温度区间不同成分非晶态金属临界冷却速度在不同成分非晶态金属临界冷却速度在10102 2-10-107 7K/sK/s间变化，多数非间变化，多数非晶态合金在晶态合金在10105 5-10-106 6K/sK/s的冷却速度下制得的冷却速度下制得非晶形成能力：非晶形成能力：19901990年前发现的年前发现的FeFe基、基、CoCo基、基、NiNi基非晶合金的临基非晶合金的临界冷却速度界冷却速度R Rc c大于大于10105 5K/sK/s，厚度，厚度t tmaxmax限制在限制在5050 m m以下，以下，而而Pd-Ni-PPd-Ni-P和和Pt-Ni-P Pt-Ni-P 的的R Rc c 在在10103 3K/s K/s 数量级，熔体数量级，熔体未经净化处理条件下未经净化处理条件下t tmaxmax为为1-3mm1-3mm近年近年MgMg、LnLn、ZrZr、FeFe、PdPd、CoCo基合金系中发现基合金系中发现了新的多元非晶合金了新的多元非晶合金R Rc c 低至低至1010-1-1K/s K/s ，最大试样厚度，最大试样厚度达到达到72mm72mm经验原则经验原则随着随着约化玻璃转变温度约化玻璃转变温度T Tg g/T/Tm m的的提高提高，非晶形成，非晶形成能力有明显提高趋势，具有较低临界冷却速度能力有明显提高趋势，具有较低临界冷却速度R Rc c和和较大临界厚度较大临界厚度t tmaxmax的合金，的合金，T Tg g/T/Tm m的值超过的值超过0.60.6随着随着过冷液体温度区间过冷液体温度区间 T Tx x的提高，的提高， R Rc c降低而临降低而临界厚度界厚度t tmaxmax增大增大Zr-Al-Ni-PZr-Al-Ni-P和和Pd-Cu-Ni-PPd-Cu-Ni-P非晶合金的非晶合金的 T Tx x的值超过的值超过100K100KZr-Al-Ni-PZr-Al-Ni-P和和Pd-Cu-Ni-PPd-Cu-Ni-P非非晶合金的晶合金的 T Tx x的的值超过值超过100K100K 块状非晶合金的制备与性能块状非晶合金的制备与性能块状非晶合金的制备块状非晶合金的制备制备：制备：快速凝固和固结加工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、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压或热挤压进行制备LaLa基、基、MgMg基合金最大厚度为基合金最大厚度为10mm10mm，锆基为，锆基为30mm30mm，FeFe基基10mm10mm采用水淬法制备直径为采用水淬法制备直径为50mm50mm和和72mm72mm的的PdPd4040CuCu3030NiNi1010P P2020非晶合金，表面光滑良好金属光泽非晶合金，表面光滑良好金属光泽1. 1.良好的力学性能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态金属既可以具有很高的强度和硬度很高的强度和硬度，同时又能在室温下，同时又能在室温下产生产生塑性变形塑性变形。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金的拉伸强度和显微硬度约为结晶合金的3 3倍倍 非晶合金的性能非晶合金的性能它的强度和硬度比现有的许多晶态金属高，它的强度和硬度比现有的许多晶态金属高，能高达每平方毫米能高达每平方毫米40004000牛顿，超过了超高硬度工牛顿，超过了超高硬度工具钢，同时还具有相对较高的具钢，同时还具有相对较高的韧性韧性。非晶合金的拉伸塑性较低，在拉伸时小于非晶合金的拉伸塑性较低，在拉伸时小于l l，但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达40 40 ，非晶合金薄带弯达，非晶合金薄带弯达180180o o也不断裂。也不断裂。 2. 2.良好的化学性能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，如蚀性能，如FeFe4343CrCr1616MoMo1616C C1818B B8 8非晶合金的耐腐蚀性可比非晶合金的耐腐蚀性可比不锈钢高一万多倍。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。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。及时修复。3. 3.非晶态合金的物理性能非晶态合金的物理性能非晶合金具有非晶合金具有良好的磁学性能良好的磁学性能，非晶合金因矫顽力小、，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、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辨率电子显微镜的干扰; ;利用其优异的磁性能制作各种磁利用其优异的磁性能制作各种磁记录头和磁光光盘等。记录头和磁光光盘等。非晶态材料非晶态材料电学性能电学性能方面展现出许多优于品态的特点，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如非晶态合金具有比晶态合金大1010一一100100倍的高电阻率。倍的高电阻率。部分非晶态合金还具有超导特性。部分非晶态合金还具有超导特性。