《非晶态合金》PPT课件.ppt

王 念重庆交通大学土木建筑学院材料科学与工程系,功 能 材 料,6 非晶态合金,非晶态合金俗称“金属玻璃”。以极高速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金结构呈玻璃态。非晶态合金与金属相比，成分基本相同，但结构不同，引起二者在性能上以差异。,主要内容非晶态合金的发展非晶态合金的结构非晶态合金的性能非晶态合金的制备非晶态合金的应用,自然界中各种物质按不同物理状态可分为有序结构和无序结构两大类。晶体为典型有序结构，气体、液体以及非晶态固体都属于无序结构。人们最先认识的非晶固体是玻璃等非金属物质，所以玻璃在一定程度上成为非晶材料的代名词。,石英,玻璃,1970年，杜韦兹创立快速凝固技术，从Au-Si合金熔体中制备了非晶合金，非晶概念才开始与固态金属与合金联系在一起，常用金属玻璃(metallic glass)来表示非晶合金。随着更多非晶合金的发现以及它们所具有的各种独特性能的揭示，非晶已不仅作为合金在快速凝固中出现的一种亚稳相，还成为一类重要的功能材料。,非晶合金带材,非晶态合金的发展,1845年，沃茨通过将镍的磷化物溶液分解在铁基体上获得镍的沉积物，这种沉积物很可能就是人类第一次获得的非晶态金属，但当时由于还没有发现X射线衍射技术，因此未能得到证实。历史上有关非晶合金的第一个报导是克拉模在1934年用蒸发沉积制得的。1947年，布伦列等人用电解和化学沉积获得了Ni-P和Co-P的非晶薄膜，发现其有高硬度、耐腐蚀特性，可用作金属表面的防护涂层，这是非晶材料最早的工业应用，但并末引起广泛注意。,1958年，安德森提出：当晶格无序度超过一定临界标准后，固体中的电子扩散将会消失。同年，在美国阿尔弗雷德召开了第一次非晶态固体国际会议。从此，非晶物理与材料的研究发展成为材料科学的一个重要分支。1960年，古贝蒙维从理论上预示非晶固体具有铁磁性：晶态固体的电子能带过渡到液态时不会有任何基本形式的改变，这意味着能带结构更依赖于短程序，而不是长程序，交换作用与短程序相关而与晶格结构并无必然的联系。因此，短程序的非晶固体应具有铁磁性。,1965年，马德和诺维克在真空沉积的Co-Au合金薄膜中发现了非晶的铁磁性。1970年，杜威兹等用喷枪法将70%Au-30%Si液态金属高速急冷制成非晶合金，这种方法使工业化大规模生产非晶合金成为可能。1973年，美国生产出具有很好导磁和耐蚀性能的非晶铁基合金薄带，非晶合金的研究和应用受到世界各国广泛的重视。,非晶Fe基带材,我国非晶合金的研究开始于七十年代中期。1982年，我国建立非晶合金牌号，批量(50kg/次)生产宽度为50-100mm的薄带并制成大功率变压器、开关变压器等铁芯。用非晶材料制成磁头可用于录音、录像；用于各种传感器的非晶圈丝、薄带及薄膜也研制成功；非晶薄膜用于磁记录技术方面也取得重大成果。,非晶磁头,非晶态合金的结构特征,非晶态合金的结构,研究非晶态材料结构所用的实验技术目前主要沿用分析晶体结构的方法，其中最直接、最有效的方法是通过散射来研究非晶态材料中原子的排列状况。由散射实验测得散射强度的空间分布，再计算出原子的径向分布函数，然后，由径向分布函数求出最近邻原子数及最近原子间距离等参数，依照这些参数，描述原子排列情况及材料的结构。根据辐射粒子的种类，可将散射实验分类，如表6-1所示。,表6-1 各种散射实验比较,注：NMR核磁共振，ESR电子自旋共振，XPSX射线光电子谱，EXAFS扩展X射线吸收精细结构，SAS小角度散射，INS滞弹性中子散射。,目前分析非晶态结构，最普遍的方法是X射线射及电子衍射，中子衍射方法也开始受到重视。近年来还发展了用扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)的方法研究非晶态材料的结构。这种方法是根据X射线在某种元素原子的吸收限附近吸收系数的精细变化，来分析非晶态材料中原子的近程排列情况。EXAFS和X射线衍射法相结合，对于非晶态结构的分析更为有利。,利用衍射方法测定结构，最主要的信息是分布函数，用来描述材料中的原子分布。双体分布函数g(r)相当于取某一原子为原点(r=0)时，在距原点为r处找到另一原子的几率，由此描述原子排列情况。,图6-1为气体、固体、液体的原子分布函数。,图6-1 气体、固体、液体的原子分布函数,径向分布函数,其中NV为原子的密度。,根据g(r)-r曲线，可求得两个重要参数：配位数和原于间距。从图中可以看出，非晶态的图形与液态很相似但略有不同，而和完全无序的气态及有序的晶态有明显的区别。这说明非晶态在结构上与液体相似，原子排列是短程有序的；从总体结构上看是长程无序的，宏观上可将其看作均匀、各向同性的。非晶态结构的另一个基本特征是热力学的不稳定性，存在向晶态转化的趋势，即原子趋于规则排列。,为了进一步了解非晶态的结构，通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化，其模型归纳起来可分两大类。一类是不连续模型，如微晶模型，聚集团模型；另一类是连续模型，如连续无规网络模型，硬球无规密堆模型等。,1微晶模型该模型认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。从这个角度出发，非晶态结构和多晶体结构相似，只是“晶粒“尺寸只有几埃到几十埃。微晶模型认为微晶内的短程有序结构和晶态相同，但各个微晶的取向是杂乱分布的，形成长程无序结构。从微晶模型计算得出的分布函数和衍射实验结果定性相符，但细节上(定量上)符合得并不理想。,假设微晶内原子按hcp，fcc等不同方式排列时，非晶Ni的双体分布函数g(r)的计算结果与实验结果比较如图6-2所示。另外，微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。,图6-2 微晶模型得出的径向分布函数与 非晶态Ni实验结果的比较,2拓扑无序模型 该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规堆积时附带产生的结果。在这一前提下，拓扑无序模型有多种形式，主要有无序密堆硬球模型和随机网络模型。,无序密堆硬球模型是由贝尔纳提出，用于研究液态金属的结构。贝尔纳发现无序密堆结构仅由五种不同的多面体组成，如图6-3，称为贝尔纳多面体。,图6-3 贝尔纳多面体,在无序密堆硬球模型中，这些多面体作不规则的但又是连续的堆积，该模型所得出的双体分布函数与实验结果定性相符，但细节上也存在误差。随机网络模型的基本出发点是保持最近原子的键长、键角关系基本恒定，以满足化学键的要求。该模型的径向分布函数与实验结果符合得很好。上述模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹性，磁性等，还是取得了一定的成功。,短程有序非晶态合金的结构特点是：原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1.5nm，即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别。短程有序可分为化学短程有序和拓扑短程有序两类。,(1)化学短程有序。合金中的每一类合金元素原子周围的原子化学组成均与合金的平均值不同，称化学短程有序。实际获得的非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于最近邻原子。(2)拓扑短程有序。指围绕某一原子的局域结构的短程有序。常用几种不同的结构参数描述非晶态与合金的结构特征，主要有原子分布函数、干涉函数、最近邻原子距离与配位数和质量密度。,非晶体与晶体都是由气态、液态凝结而成的固体，由于冷却速率不同，造成结构的迥然不同。晶体是典型的有序结构，原子有规则地排列在晶体点阵上形成对称性；非晶态与气态、液态在结构上同属无序结构，它是通过足够快的冷却发生液体的连续转变，冻结成非晶态固体。,非晶固体的原子类似液体原子的排列状态，但它与液体又有不同：液体分子很易滑动，粘滞系数很小；非晶固体分子是不能滑动的，粘滞系数约为液体的1014倍，它具有很大的刚性与固定形状。液体原子随机排列，除局部结构起伏外，几乎是完全无序混乱；非晶排列无序并不是完全混乱，而是破坏了长程有序的周期性和平移对称性，形成一种有缺陷的、不完整的有序，即最近邻或局域短程有序（在小于几个原子间距的区间内保持着位形和组分的某些有序特征）。,非晶材料在微观结构上具有以下基本特征：存在小区间的短程有序，在近邻或次近邻原子的键合具有一定规律性，但没有任何长程有序。温度升高，非晶材料会发生明显的结构转变，因此它是一类亚稳态材料，但亚稳态转变到自由能最低的稳态须克服一定的能量势垒，因此这种亚稳态在一定温度范围内长期稳定存在；当加热温度超过一定值Tc(晶化温度)后就会发生稳定化转变，形成晶态合金。,金属玻璃结构亚稳性不仅包括温度达到Tc以上发生的晶化，还包括低温加热时发生的结构弛豫。在低于晶化温度Tc下退火时，合金内部原子的相对位置会发生较小变化，合金密度增加，应力减小，能量降低，使金属玻璃的结构逐步接近有序度较高的“理想玻璃”结构，这种结构变化称为结构弛豫。发生结构弛豫的同时，非晶合金的密度、比热、粘度、电阻、弹性模量等性质也会产生相应变化。,金属玻璃在高于晶化温度Tc退火时，由于热激活的能量增大，非晶合金克服稳定化转变势垒，转变成自由能更低的晶态。晶化中金属玻璃的结构变化较大，一般涉及原子长程扩散，所需激活能比发生结构弛豫时高。晶化中发生相应的结构变化，合金许多性质也会产生较大的变化。,晶化热处理,非晶晶化结晶与凝固结晶类似，也是一个形核和长大的过程。晶化是固态反应过程，受原子在固相中的扩散支配，所以晶化速度没有凝固结晶快。非晶比熔体在结构上更接近晶态，晶化形核时作为主要阻力的界面能比凝固时固液界面能小，因而形核率很高，非晶合金晶化后晶粒十分细小。实际快速凝固中，形成非晶同时也可能形成一些细小的晶粒，它们在非晶晶化时可作为非均匀形核媒质。此外，非晶中的夹杂物、自由表面等都可使晶化以非均匀形核方式进行。,非晶的结构弛豫和晶化都是结构失稳时产生的变化，非晶的结构稳定性主要取决以下因素：合金组元的种类和含量：组元种类和含量的变化会改变原子键合强度和短程有序程度。凝固冷速：冷速越高，金属玻璃的自由能就会越高，相应的结构稳定性会越低，在一定条件下越容易产生结构弛豫和晶化。选择适当的凝固冷速对保证金属玻璃稳定性十分重要。,其它一些因素也能影响金属玻璃的结构稳定性：退火温度一定时，组态熵较大的合金晶化激活能较大，非晶发生结构弛豫或晶化所需激活能越大，非晶结构就越稳定。玻璃形成能力(GFA)较强的合金形成的非晶结构稳定性较高，共晶成分或接近共晶成分的合金GFA很强，它们形成的非晶稳定性一般都很高。中子辐照可使极细晶粒非晶化，消除非晶合金晶化时非均匀形核媒质，提高非晶合金的稳定性。,非晶合金的制备方法,原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。也就是说，只要冷却速度足够快使熔体中原子来不及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。,但实际上，要使一种材料非晶化，还得考虑材料本身的内在因素，主要是材料的成分及各组元的化学本质。如大多数纯金属即使在106Ks的冷速下也无法非晶化，而在目前的冷却条件下，已制成了许多非晶态合金。,非晶态材料的制备,对于一种材料，需要多大的冷却速度才能获得非晶态，或者说，根据什么可以判断一种材料在某一冷却速度下能否形成非晶态，这是制备非晶态材料的一个关键问题。目前的判据主要有结构判据和动力学判据。结构判据是根据原子的几何排列，原子间的键合状态，及原子尺寸等参数来预测玻璃态是否易于形成；动力学判据考虑冷却速度和结晶动力学之间的关系，即需要多高的冷却速度才能阻止形核及核长大。,根据动力学的处理方法，把非晶态的形成看成是由于形核率和生长速率很小，或者看成是在一定过冷度下形成的体结晶分数(结晶的体积分数)非常小(小于10-6)的结果。这样，可以用经典的结晶理论来讨论非晶态的形成，并定量确定非晶态形成的动力学条件。,如图6-4，做出金属及合金的等温转变图(TTT图,即Time-Temperature-Transformation时间-温度-转变)，由于TTT图通常呈“C”形状,所以也称C曲线。C曲线的左侧为非晶态区，当纯金属或合金从熔化状态快速冷却时，只要能避开C曲线的鼻尖便可以形成非晶态。,图6-4 纯Ni，Au77.8Ge13.8Si8.4，Pd82Si18，Pd77.5Cu6Si16.5的C曲线,从图中可以看出，不同成分的合金，形成非晶态的临界冷却速度是不同的。临界冷却速度从TTT图可以估算出来 Rc=(Tm-Tn)tn 式中Tm为熔点，Tn，tn分别为C曲线鼻尖所对应的温度和时间。,若考虑实际冷却过程，就要作出合金的连续冷却转变图(CCT图，即Continous-Cooling-Transformation)，如图6-5，图中示出了临界冷却速度。,图6-5 几种非晶态合金的CCT图及TTT图,研究表明，合金中组元间电负性及原子尺寸大小与非晶态的形成有很大关系。组元间电负性及原子尺寸相差越大(1020)，越容易形成非晶态。在相图上，成分位于共晶点附近的合金，其Tm一般较低，即液相可以保持到较低温度，而同时其玻璃化温度Tg随溶质原子浓度的增加而增加，令T=Tm-Tg，T随溶质原子的增加而减小，有利于非晶态的形成。,合金非晶态的形成倾向与稳定性通常用TTmTg或TxTxTg来描述，其中Tm、Tg和Tx分别为熔点、玻璃化温度和晶化温度，T减小时，获得非晶态的几率增加，容易形成非晶态。因此，提高非晶转变温度Tg或降低熔点Tm都有利于非晶态的形成；若玻璃转变温度Tg保持不变，晶化温度Tx增高将使非晶态的稳定性增加。,有人选用化学键参数，引用“图象识别”技术，总结了二元非晶态合金形成条件的规律。如图6-6，图中横坐标|XpA-XpB|是A，B两组元电负性差的绝对值，纵坐标中Z是化合价数，rk是原子半经，(Xp)A是A组元的电负性偏离线性关系的值，即纵坐标代表A，B原子因极化作用而引起的效应。总的来看，由一种过渡金属或贵金属和类金属元素(B，C，N，P，Si)组成的合金易形成非晶态。,图6-6二元系形成非晶态合金的键参数判别曲线,非晶态合金的形成条件要制得非晶态合金必须有两个先决条件：首先需要有足够高的冷却速度，临界冷却速度要大于106/s；另外合金非晶化温度(玻璃化温度)要高于室温。从热力学和结晶学的理论出发，要形成非晶态合金还应该满足以下的要求：(1)合金组元间的原子半径差要大于10；(2)合金组元的电负性差异合宜(不能太大，也不能过小)；(3)合金熔体具有大的黏度，使原子的扩散阻力增加。,非晶态合金一般可以由以下合金组成：(1)过渡金属、贵金属与类金属的组合。过渡金属、贵金属为Fe、Co、Ni、Au等；类金属为B、Si、P、C等。(2)过渡金属的前部元素和后端元素之间的组合。例如，Zr-Cu、Nb-Ni、Zr-Pd等。(3)稀土元素与过渡金属的组合。稀土元素主要是Ga、Tb、Dy；过渡元素为Fe、Co。(4)过渡金属与非过渡金属之间的组合。如(Ti、Zr)-Be，Al-Cr。(5)非过渡金属之间的组合。如Mg-Zn。,其中三元合金或者多元合金更容易形成非晶合金一般常用的过渡金属是：Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni等；贵重金属是：Au、Cu等；类金属是：B、C、Si、P等；非过渡金属是：Zn、Al等。对于合金的成分在具体选择时，以共晶、包晶或它们附近的成分更容易形成非晶合金。,常见的非晶态合金,迄今为止，非晶态合金的种类已达数百种之多。,1）过渡族金属与类金属元素形成的合金主要包括VIIB，VIIIB族及IB族元素与类金属元素形成的合金，如Pd80Si20，Au75Si25，Fe80B20，Pt75P25等，合金中类金属元素的含量一般在1325（原子百分比）。但近年也发现了一些类金属元素含量可在一定范围内变化的非晶态合金，如NiB31-34，CoB17-41，PtSb34-36.5等。在这类合金基础上可加入一种或多种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，这种三元合金形成非晶态要比对应的二元合金容易得多。此外，IVB和VIB族金属与类金属也可以形成非晶态合金。如TiSi15-20等。,研究表明，这种三元合金形成非晶态要比对应的二元合金容易得多。此外，IVB和VIB族金属与类金属也可以形成非晶态合金，其中类金属元素的含量一般在1530(原子百分比)。如TiSi1520，(W，Mo)70Si20B10，Ti50Nb35Si15，Re(铼)65Si35，W60Ir(铱)20B20等。,2)过渡族金属元素之间形成的合金,这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成非晶态的成分范围较宽。如Cu-Ti33-70,CuZr27.5-75,NiZr27.5-75，等。3）含IIA 族(碱金属)元素的二元或多元台金 如CaA112.5-17.5，CaCu,CaPd，Mg一Zn25-32，BeZr50-70，Sr70Mg30等。这类合金的缺点是化学性质较活泼，必须在惰性气体中淬火、最终制得的非晶态材料容易氧化。除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的非晶态合金，如UCo24-40,NpCa30-40，PuNi12-30等。,除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的非晶态合金，如U-Co24-40,Np(镎)-Ca30-40，Pu(钚)-Ni12-30等。总之，相对容易获得非晶态的合金，其共同特点是组元之间有强的相互作用；成分范围处于共晶成分附近；液态的混合热均为负值。具备上述条件的合金能否成为实用的非晶态材料，还与许多工艺因素有关。,非晶态合金的制备方法 要获得非晶态，最根本的条件是要有足够快的冷却速度。为了达到一定的冷却速度，已经发展了许多技术，不同的技术，其非晶态形成过程又有较大区别。制备非晶态材料的方法可归纳为三大类：(1)由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、化学气相沉积等。利用这种方法，非晶态材料的生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；,2）由液态快速淬火获得非晶态固体，是目前应用最广泛的非晶态合金的制各方法；3）由结晶材料通过辐照、离子注入、冲击被等方法制得非晶态材料；用激光或电子束辐照金屑表面，可使表面局部融化，再以4x1045x106Ks的速度冷却，可在金属表面产生400m厚的非晶层。离子注入技术在材料改性及半导体工艺中应用很普遍。,非晶态合金的制备方法：,非晶合金薄膜,在高真空中合金被加热蒸发，蒸发的蒸气沉积在液氟或液氯冷却的冷基板上形成非晶薄膜。原料加热可采用电阻加热、高频感应或电子束轰击法等，基板按薄膜用途不同选用玻璃、金属、石英等。,真空蒸镀法,真空蒸镀原理,溅射法,溅射是利用高能离子去轰击阴极靶材，将其动量直接传送给靶材原子，使其向外飞溅，附着在阳极基板上获得靶材的非晶薄带。大部分稀土-过渡金属非晶薄膜都采用此法制得。,高频溅射法原理图,非晶合金薄片,杜威兹最早用喷枪法制备非晶薄片。将少量合金装入底部有小孔的石墨坩埚中，由感应加热或电阻加热，在惰性气体中使之熔化。合金熔体的表面张力高，不致从小孔漏出。随后用冲击波使熔体从小孔中快速喷出，并在冷却基板上形成薄膜。喷枪法的冷却速率很高，可达106-108K/s，可制成宽约10mm，长为20-30mm，厚为20-50m的非晶薄片，但形状不规则、厚度不均匀。,喷枪法制备非晶合金薄片示意图,活塞砧座法也可制备非晶薄片。让合金液滴被快速移动的活塞打在金属砧座上，液滴被迅速压平并冲击成非晶薄片。活塞法的冷却速率可达到106-107K/s，样品的厚度可达30-80m，均匀性和光洁度比喷枪法好。,非晶合金粉的制备,将合金液吹成小滴雾化，如图(a)所示，气流本身还是淬火冷却剂，也可用液体(如水)代替气体作淬火介质，提高冷速，但得到的颗粒形状不规则。同时使用气体和液体喷流，如图(b)所示，气体将小颗粒淬火，大颗粒由液体提供较高冷速，平均冷速达105-106K/s。,非晶合金粉末的制备(a)气流体雾化，(b)气-流雾化,非晶合金薄带的制备,单辊急冷法和双辊急冷轧制法可制备非晶带材。用惰性气体将液态合金从直径为0.2-0.5mm的石英喷嘴中喷出，连续喷射到高速旋转(2000-10000r/min)的冷却圆筒表面或一对轧辊之间，液态合金由于急冷形成非晶态。,制备非晶条带的方法(a)单辊离心急冷(b)双辊急冷轧制,在工业上实现批量生产的是用液体急冷法制非晶态带材。主要方法有离心法、单辊法、双辊法，见图6-8。这种方法的主要过程是：将材料(纯金属或合金)用电炉或高频炉熔化，用惰性气体加压使熔料从坩锅的喷嘴中喷到旋转的冷却体上，在接触表面凝固成非晶态薄带。,图6-8 液体淬火法制备非晶态合金薄片,三种方法各有优缺点，离心法和单辊法中，液体和旋转体都是单面接触冷却，尺寸精度和表面光洁度不理想；双辊法是两面接触，尺寸精度好，但调节比较困难，只能制做宽度在10mm以下的薄带。目前较实用的是单辊法，产品宽度在100mm以上，长度可达100m以上。图6-9是非晶态合金生产线示意图。,图6-9 非晶态合金生产线示意图,非晶态合金的性能,力学性能 非晶态材料具有极高的强度和硬度，其强度远超过晶态的高强度钢。此外，非晶态材料的疲劳强度亦很高，钴基非晶态合金可达1200MPa；非晶态合金的延伸率一般较低，但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40，轧制压率可达50以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很小曲率半径而不折断。,非晶中原子有较强的键合，特别是金属-类金属非晶中原子键合比一般晶态合金强得多；非晶合金中原子排列长程无序，缺乏周期性，合金受力时不会产生滑移。非晶合金具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是强度最高的实用材料之一。,强度、硬度和刚度,高强度非晶材料,金属玻璃的强度、硬度和弹性模量,一些非晶合金的强度甚至超过了高强度马氏体时效钢(s约2GPa)，强度最高的Fe80B20的屈服强度与经过冷拉的钢丝差不多。金属玻璃具有很好的室温强度和硬度的同时，也具有很好的耐磨性能，在相同的试验条件下磨损速度与WCrCo耐磨合金差不多。,韧性和延性,非晶合金不仅具有很高的强度和硬度，与脆性的无机玻璃截然不同，还具有很好的韧性，并且在一定的受力条件下还具有较好的延性。Fe80B20非晶合金的断裂韧性可达12MPa.m-1/2，这比强度相近的其它材料的韧性高得多，比石英玻璃的断裂韧性约高二个数量级。,柔韧的非晶,金属玻璃的塑性与外力方向有关，处于压缩、剪切、弯曲状态时，金属玻璃具有很好的延性，非晶合金的压缩延伸率可达40，轧制时压下率为50以上也不会产生断裂，薄带对弯至180度一般也不会断裂。金属玻璃在拉伸应力条件下的延伸率很低，一般只有约0.1%。非晶合金的弹性模量比晶态合金略低。非晶合金在外力作用下应变不均勾，受疲劳应力作用时疲劳裂纹容易形核，疲劳寿命较低。,非晶是一种短程有序密排结构，与长程有序的晶态密排结构相比，非晶合金的密度一般比成分相近的晶态合金低1-2。Fe88B12合金在晶态时密度为7.52g/cm3，在非晶态时密度为7.45g/cm3。非晶合金具有很高强度、硬度、耐磨性能和韧性，在弯曲、压缩状态时有很好的延性，但拉伸延性、疲劳强度很低，所以一般不能单独用作结构材料。许多成分的金属玻璃经适当晶化处理后，综合力学性能会有很大提高。,密度,热学性能,非晶态合金处于亚稳态，是温度敏感材料。如果材料的晶化温度较低，非晶态合金更不稳定，有些甚至在室温时就会发生转变。,非晶的热处理,金属玻璃在相当宽的温度范围内，都显示出很低的热膨胀系数，并且经过适当的热处理，还可进一步降低非晶合金在室温下的热膨胀系数。,几种非晶合金的热膨胀系数(10-6/),电学性能,非晶具有长程无序结构，在金属-类金属非晶合金中含有较多的类金属元素，对电子有较强的散射。非晶合金一般具有较高的电阻率，是相同成分晶态合金电阻率的2-3倍，电阻温度系数比晶态合金小。,某些晶态及非晶态合金的电阻率和电阻温度系数,许多非晶(如Nb-Si，Mo-Si-B、Ti-Nb-Si、W-Si-B等)在低于临界转变温度时还具有超导性能。在非晶中形成弥散的第二相也可使临界温度、电流密度等超导性能得到提高。Zr65Nb15B20非晶合金经适当退火产生部分晶化，在基体上形成许多微小晶粒，合金超导临界温度提高2倍。具有超导性能的非晶合金可制成具有良好力学性能的薄带，为开展超导研究和应用研究提供有利条件。,磁学性能,部分非晶合金具有良好的铁磁性能。非晶合金中没有晶界，一般也没有沉淀相粒子等障碍对磁畴壁的钉扎，所以非晶合金很容易磁化，矫顽力极低。金属玻璃经部分晶化后产生的极细晶粒可作为磁畴壁非均匀形核媒质，细化磁畴，获得比晶态软磁合分更好的高频(100kHz)软磁性能。某些铁基非晶合金(例如Co-Fe-B-Si)在很大频率范围内都具有很高的磁导率。,某些非晶态合金的软磁特性,一些非晶永磁合金在经部分晶化处理后永磁性能会产生很大提高。许多铁基稀土非晶合金晶化后，矫顽力可增加2-3个数量级以上，具有很好的永磁性能。NdFeB非晶合金经过晶化热处理并控制形变织构方向后，最大磁能积达到55MGOe，是目前永磁合金磁能积能达到的最高水平之一。,化学性能,非晶中没有晶界、沉淀相相界、位错等容易引起局部腐蚀的部位，也不存在晶态合金容易出现的成分偏析，所以非晶合金在结构和成分上都比晶态合金更均匀，具有更高的抗腐蚀性能。含Cr的铁基、Co基和镍基金属玻璃，特别是其中含有P等类金属元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐蚀能力。P的作用是促进防腐蚀薄膜形成；Cr作用是形成防腐蚀保护膜。,非晶态合金和晶态不锈钢在10%FeCl2-10H2O溶液中的腐蚀速率,非晶合金的应用,非晶软磁元件,大功率变压器总希望使用磁感应强度高、矫顽力低，损耗小的材料。变压器用量特别大，还必须要求原材料成本低。此外，还要求使用的材料延展性好，加工容易、尺寸精度高、层间绝缘性好、耐腐蚀性强。,变压器,大功率变压器,非晶合金的矫顽力很低，外场作用下十分容易磁化；同时非晶合金具有很高的电阻，可以明显降低涡流损失。金属玻璃用作低频(50-60Hz)磁芯时的磁芯损耗根低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等铁基非晶合金的磁芯损耗只有常用硅钢片的1/3-l/5，而饱和磁感应强度等磁学性能与硅钢片相近，非晶软磁合金的主要用途是取代晶态硅钢制作各种类型的变压器。,非晶磁性合金的应用不仅可减少能量损失，还可以在额定功率一定时，减轻变压器的重景和减小变压器的尺寸。,变压器用非晶铁芯,非晶变压器,Fe基非晶合金与坡莫合金制成的开关变压器的性能比较，非晶变压器的体积、重量明显下降，温升降低，成本减少50以上。,Fe基非晶合金与坡莫合金制作的开关变压器的性能,磁 头,磁头器件要求材料饱和磁感应强度大；在工作频率范围内材料的磁导率高；具有较低矫顽力和较高电阻率；耐磨性和抗蚀能力强；磁性能对加工应力不敏感；热稳定性好等。,硬盘读写磁头,用非晶合金作磁头具有下列优点：无磁晶各向异性：晶态材料的磁晶各向异性使磁导率下降，矫顽力增大，磁滞损耗增加，噪声增大。电阻率高：这对降低涡流损耗有利。硬度大，耐磨性好。耐腐蚀性高：晶态材料的磁性与耐蚀性难以兼得。容易获得薄带：高频工作时，为减小涡流损耗，希望材料减薄，要求用数微米至数十微米的薄片；对于晶态材料，加工有一定困难，非晶带的厚度一般为20-40m，很适于录相磁头的工作频带。,传感器,非晶合金薄带与丝材具有许多优点，适合各种类型传感器的不同需求：同时具有高强度和高弹性极限，用非晶合全条带的丝材可直接做成弹性环和弹簧，不需要辅助弹性材料和保护材料，制成的器件可承受很大的拉力，且具有耐磨、耐冲击和耐腐蚀性。Co基非晶合金的最大磁导率可达106级，是高灵敏度磁性传感器的理想材料。,用非晶带绕成环形磁芯，在直径方向施加很小外力，会使磁芯的磁特性发生显著变化。用这个磁芯构成单磁芯桥式多谐振荡器，可将由应力所产生的磁性能变化转变为直流电压输出，制成高精度应力传感器。,应力传感器,非晶Fe82Si6B12条带制成的电磁传感器已用于交通信号自动控制装置中的探头，性能明显优于坡莫合金：电路电压降低一半，激磁电压降低2/3，输出信号增加2倍，作用距离提高1倍。,交通信号控制器,交通电子眼,用弹性好且耐蚀的FeNi非晶合全制成微型压力传感器，可测微小压强，用作人体肛肠压力测定装置。临床证明具有灵敏度高、体积小、重复性好、耐腐蚀、成本低等优点。,微型压力传感器,磁场传感器,磁分离装置,磁分离是指在磁场作用下将磁性微粒与非磁性微粒加以分离的技术。磁分离装置大都是在腐蚀性介质中使用，所用材料必须具有良好的聚磁性，耐腐蚀性，高强度，还要考虑过滤效率要高，不易堵塞等问题。,磁分离装置,含Cr的Fe基非晶条带与圆丝混合成的过滤器非常适合这种要求。这种软磁性和耐腐蚀性优良的条带和丝材作聚磁材料，可获得很高的磁场梯度，即形成很强的磁力捕获区，能达到很高的分离效率。这种非晶磁分离装置，用于净化轧钢废水处理，净化效率可达97以上用于超高压变压器绝缘油的净化处理，可使变压据的介质损耗降低一半，大大延长安全运行周期。,非晶永磁合金,非晶永磁合金晶化处理后，可得到纳米晶粒，获得一类重要的永磁材料双相耦合纳米晶永磁材料。双相纳米晶永磁成本相对低廉，耐蚀性较高，磁体可采用模压、注射、压延、热压等多种方法进行成型，效率高，磁学和力学性能都很好。美国代顿大学用这种方法制备的纳米晶NdFeB永磁体的永磁性能已接近目前传统烧结NdFeB磁体研究的最高水平，并且还有相当大的发展空间，逐渐成为新型永磁材料的发展方向。,纳米晶永磁应用广泛，可用于电子、通信、汽车、机械、能源、医疗、国防等多个领域，包括硬盘驱动电机、手机振动电机、汽车起动电机、矿物分离装置、核磁共振成像及空调、冰箱、音箱、录像机、电钟等家用电器中的磁性部件。,纳米晶磁体制备的微型马达,纳米晶粘结磁体,结构材料,非晶合金晶化后制成微晶合金可作为结构材料使用。非晶薄带粉碎后进行热压加工，使非晶合金晶化并制成大块晶态合金，晶粒细小均匀，尺寸仅为0.2-0.3m，还含有大量硬度很高的弥散硼化物和金属间化合物，具有优异力学性能。这种微晶合金不仅综合力学性能好，而且克服非晶合金尺寸小、工作温度低的缺点。,微晶的非晶合金在440-550时还有很好的热强度和冲击韧性，在750时具有极好的抗氧化性能，所以热硬度和耐磨性能很好的Ni53Mo35Fe9B3等非晶合金可制作刀具、挤压模。晶化处理的钛基合金也具有极好的力学性能，Ti-25Zr-10B的硬度为2345MPa，而Ti-M-Si(MMn、Fe、Cu、Co)合金的抗张强度达到2750MPa。,高强度非晶材料,微晶化后的非晶合金在共有良好力学性能的同时仍然保持了很强的抗腐蚀性能，在相同的腐蚀条件下，Fe63Cr22Ni3Mo2B8C2微晶合金的腐蚀速度比316不锈钢低10倍。高强度、抗盐水腐蚀的铁基非晶合金可作为制造潜水艇的材料，某些铁基非晶合金甚至可以制作快速中子反应堆中的化学过滤器。,潜水艇,钎焊材料,通常焊接气轮发动机等设备的钎焊材料是含B、Si、C或P的镍基晶态合金，这些合金在常规铸造条件下枝晶粗大、含有脆性的第二相，所以无法加工，只能粉碎成粉末，再用有机粘结剂粘结成薄带状使用，很容易混入杂质或碳化物，使焊接质量受到很大影响。非晶钎焊合金不仅容易生产成薄带形状，而且具有很好的延性，可加工成需要尺寸同时保证成分均匀，不含杂质。,非晶钎焊合金的成分接近共晶成分，熔点低、熔化后流动性好，可以显著提高焊接质量。非晶钎焊合金可取代价格较贵的银基常规焊料，甚至还可代替飞机发动机焊接所需的金基焊料。,非晶钎焊料,化工催化,金属-类金属型金属玻璃具有优异的抗腐蚀性能实际上与组元(特别是P)有较高的反应活性有关，这种反应活性还表现在可对某些化学反应产生催化作用。快速凝固制成的薄带、纤维状的金属玻璃由于具有很大的表面积，也有利于它们的催化作用。,非晶催化剂,薄带状的Fe-Ni-P(或Fe-Ni-P-B)非晶合金可对CO与H2合成碳氢化合物的反应起催化作用，效果比相同成分的晶态合金约大100倍。某些Pb基金属玻璃在甲酸盐和甲醛氧化中的催化作用比Pt还强，在从NaCl溶液制取氯气的反应中也有很强的促化作用。,总之，非晶态材料是一种大有前途的新材料，但也有不如人意之处。其缺点主要表现在两方面，一是由于采用急冷法制备材料，使其厚度受到限制；二是热力学上不稳定，受热有晶化倾向。解决的办法主要是采取表面非晶化及微晶化。,