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冲破传统的新型金属材料——非晶合金
##<
/p>
，过程装备与控制工程，
313#######
摘要：
人类的生活中少不了一种材料，那便是金属。几千年来，我们一直使用着
晶态金属材
料，然而有一种新型金属材料，
从力学、
电磁学、化学乃至生物学方面来说性能均优于传统
金属材料。
它就是非晶合金。
本文从非晶合金的结构定义与制备方法入手，
介绍了该材料的
一系列性能，以及其未来的发展方向和展望。
关键词：
非晶合金
新型材料
优越性能
Abstract
：
There
isa vital material in our life,which is called
metal. For thousands of years, we
have
been using crystalline metallic materials, but
there is a new type of metal materials, from
mechanics, electromagnetics, chemistry
and even biology,it performs much better than the
traditional metal materials. Itsname is
amorphous alloys. This article introduces a series
of
properties of the material from the
structure definition and preparation of amorphous,
as well as its
future direction and
prospects.
Keywords
：
amorphous alloy,new
material,superior performance
金属材料是机械制造中
的重要一员，
也是人类生产生活不可分割的元素，小到
日常用品
，大到国防航天，无不使用到金
属材料。它的发展亦是人类文明进步的见
证。在大约
8000
年的金属材料使用历史
中，人类使用的都是具有晶体结构的金属
材料，直到
20
世纪后期，即
1960
年美国<
/p>
加州大学
Duwez
小组用快冷首次获得
了
非晶态的合金
Au70Si30
，<
/p>
1967
年又最先得
到了非晶合金
Fe86P12.5C7.5
，
并发现非晶<
/p>
态合金具有许多常规晶态金属不可比拟
的优越性能，从此揭开了金
属材料发展历
史上新的一页。
优异性
能，如高强度，高弹性，良好的耐
蚀性和优良的磁学性能等。同时，目前的
非晶合金临界尺寸已达几个厘米，能够满
足作为结构材料应用对尺寸的要求。
作为
集众多优点于一体的新型材料，非晶合金
的迅速发展，为材
料科研工作者和工业界
研究开发高性能的功能材料和结构材料
提
供了十分重要的机会和巨大的开拓空
间，此外，与之相关的大量基础科学研究
也推动了人们对液体和玻璃材料的深入
理解。
2.
非晶合金的历史
1934
年
,
德国的
Kramer
首次用热蒸发
法制备出了非晶态合
金。非晶材料最早的
工业应用是
1947
年
Brenner
等用电解
和化学沉积获得了
Ni- P
和
Co- P
的非
晶薄膜
,
并用作金属表面的防护涂层。
1959
年
,
美国物理学家
Turnbull
通过水银
的过冷试验提出液态金属可以过冷到原
1.
什么是非晶合金
非晶态合金又称金属玻璃，具有
短程
有序、长程无序的亚稳态结构特征。固态
时其原子的三维空
间呈拓扑无序排列，并
在一定温度范围内这种状态保持相对稳
定
。与晶态合金相比，非晶合金具备许多
理平衡熔点以下而不产生形核与长大。根
据他的理论
,
假如冷到足够程度，
及使用最
简单结构的液体也可以通过玻璃化转变。
1
960
年
,
美国加州理工学院的
Duwez
小组
发明了采用喷枪技术来急冷金
属液体的
快速淬火技术在
Au-Si
合
金中获得非晶态
合金
,
从而开创了材料
研究的新领域。
1969
年
,
非晶合金的制备有了突破性
进展
,Pond
等用轧辊法制备出长达几十米
的非晶薄带
。由于受到极高的临界冷却速
率的限制
,
在一段时期内
,
只能得到丝、粉
末或
箔材等非晶合金。
20
世纪
80
年代前
期
,Turnbull
等采用氧化物包覆技术制备出
了厘米级的
Pd-Ni-
P
非晶合金。
在
90
< br>年代
初
,A. Inoue
等在
日本东北大学成功发现了
具有极低临界冷却速率的多元合金体系。
2003
年橡树岭国家实验室的
L
u
和
Liu
使
Fe
基非晶的尺寸从毫米推进到厘米级
,
最大直径可达
12 mm,
我国哈尔滨工业大
学的沈军将
Fe
基块体非晶合金的尺寸提
高到
16 mm,2004
年
Johnson
在
Pt
基合金
系中发现了具有高压缩塑性的块体非晶
合金体系
,
他们研制的直径为
3 mm
的
Pt
基合金的压缩塑性达到了
20%,
突破了过
去块体非晶合金压缩塑性一般小于
2%
的
瓶颈。最近
,
< br>中国科学院金属研究所的
Ma
等发现了尺寸可达
25 mm
的
Mg-Cu-Ag-
Pd
非晶态合金。
[1]
3.
非晶合金的形成
影响非晶形成的因素主要有热力学
因素、动力学因素、结构学因素三点。
3.1
热力学因素
在热力学上，非晶态是一种亚稳
态，在相同温度下其对应的自由
能既
高于平衡条件下的晶态相，也高于非
平衡过程的其他所有亚
稳态，因为任
何其他亚稳态相的形成都比非晶相更
依赖于原子扩
散和重排。
根据热力学基本原理，合金系统
< br>自液态向固态转变时自由能的变化可
表述为：
Δ
G=
Δ
H
－
T
Δ
S (1)
。式
(1)
中
T
为温度
，
Δ
H
和
Δ<
/p>
S
分别表示从液相
转变为固相的焓变和熵
变。由于液相
原子之间强烈的结合反应和各元素原
子尺寸差，使
得液相中存在短程有序
和局部原子紧密堆垛结构，这种结构
使得
液固相之间熵变
Δ
S
小，焓变
Δ
H
低，
Δ
G
小。如果合金自液相发生结
晶转变时的
Δ
G
小，则转变过程中的
热力学驱动力就小，就不容易发生结
晶转变，而是更容易形成非晶态，即
降低了结晶的驱动力，增大了合金的
非晶形成能力。
3.2
动力学因素
从动力学的观点来看
,
讨论非晶
态合金形成的关键问题
, <
/p>
不是材料从
液态冷却时是否会形成非晶
,
而是讨
论在什么条件下
,
能使液态金属冷却
到非晶态转变温度以下而不发生明显
的结晶
,
或不发生可察觉到的结晶。
从
液态到固态的快速冷却过程中
,
如果
抑制了结晶过程的形核与长大
,
就可
以形成非晶。
结晶过程的形核
(I),
与线
性长大速度
(U)
满足式
(2)
和
(3):
其中
: k1
为形核动力学常数
,k2
为
生长动
力学常数
,
η
为粘滞系数
,b
为
几何因子
,
对球状核
;
为
约化温度
,
可用公式
(
其中
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