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非晶合金 一、非晶合金简介 1、概述 金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一旦金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。但如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金。制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。 非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。 正是因为非晶材料这样一系列优良特性，国内外均对其开展了系统性的理论与应用研究，国内对非晶合金的研究从1976年开始，国家科委一直将非晶合金的研究、开发、产业化列入重大科技攻关项目。在国际上，美日等西方发达国家也开展了大量的基础性研究。经过几十年的科研攻关，非晶材料的产业化应用取得了长足的进步，国内安泰科技股份有限公司，日本日立公司在非晶材料生产方面具有较强优势。同时，在下游产业，采用美国通用电气技术的置信电气已经成为国内目前最大的非晶合金变压器生产企业。 展望未来，非晶合金具有广阔的发展空间，因此，在另一方面，其对传统材料如冷轧硅钢等产品的替代威胁值得相关企业进行关注。 2、大块非晶合金 大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、薄带等)而言的，具有较大的三维几何尺寸。固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列，表现为短程有序、长程无序，呈亚稳态结构，而且在一定温度范围内还可以相对稳定地保持这种结构。另外研究发现大块非晶合金在过冷液相区具有超塑性，也为大块非晶合金的塑性成型和加工提供了可能。 自非晶合金问世以来，提高非晶成形能力，即得到大尺寸的非晶样品一直是人们努力追求的主要目标之一。在常规的冷却条件下，合金熔体在冷却过程中总是很快结晶而形成晶体结构的固体，一般需要采用至少105K／s以上的冷却速度来冷却合金熔体，才能制备出厚度在几十到上百微米的薄带状金属玻璃。最近lO年来，对金属玻璃的研究获得了很大的进展，人们可以在多个合金体系获得毫米甚至厘米级尺寸的块状金属玻璃。 3、大块非晶合金性能 大块非晶合金是通过抑制合金熔体的形核和长大，保持液态的长程无序结构，从而获得具有类似玻璃结构的合金材料。因而，块体非晶是兼有液体和固体、金属和玻璃特征的材料。由于具有“冻结”的液态结构，没有晶态材料的长程有序，因而不存在影响合金性能的空位、位错、层错、晶界、第二相等缺陷，也就不会因为位错的运动而产生滑移，加上非晶合金中原子间的键合比一般晶态合金强得多，因此某些材料具有极高的强度等优异的力学性能，如高的硬度、弯曲强度、良好的耐磨性和断裂韧性等。大块非晶合金在加热发生晶化以前存在一个过冷温度区间，当过冷液体的粘度达到10Pa·S的数量级时，过冷液体就转变为类似于氧化物玻璃的无序结构，表现为牛顿流动状态，可以在一个较宽的应变率范围内发生粘性流动，具有极高的超塑成形能力。块状非晶合金还具有可焊接性，结合爆炸法现已被用于制备更大尺寸的非晶合金。由于不存在晶界、沉淀相相界、位错等容易引起局部腐蚀的部位，同时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，因而具有更高的抗腐性。 因为大块非晶中不存在磁晶粒各向异性，通常也没有沉淀相粒子等对磁畴壁的钉扎作用，所以具有优异的软磁性能，对其进行一定的热处理可在非晶基体中获得弥散纳米晶微粒，进一步改善其软磁性能。大块非晶合金晶化后获得的纳米晶软磁材料Fe—M—B(M＝Zr，Hf，Nb)，具有高的磁感应强度B和磁导率μ，这是以往的软磁材料所难以企及的。FINEMET材料的软磁性的发现更是引起了广泛关注。表1列出了非晶合金与传统硅钢的主要物理性能的差别。 表1 非晶合金与硅钢的主要物理性能比较 项目 非晶合金 冷轧硅钢 饱和自感应强度/T 1.54 2.03 矫顽力/A·m-1 4 30 单位铁损/W·kg-1 0.18 1.2 电阻率/μΩ·cm 140 50 密度/g·cm-3 7.18 7.65 硬度/hg·cm-2 860 --- 饱和磁致延伸系数/10-6 30 10 最大导磁率 200 10 注：铁损测量是在50Hz的工作磁场下测试的 另外，非晶合金还具有晶体所不具有的高电阻、小涡流热等性能。 3、大块非晶合金的形成机制 合金在缓慢冷却时易形成晶体，在快冷的条件下则可形成非晶态，如图1所示， 在非晶合金的发展过程中，Turnnull的连续形核理论在解释非晶形