第四章 非晶态合金的制备.ppt

第四章 非晶态合金的制备 第一节 非晶态合金概述 第二节 金属玻璃的形成机理及其体系 第三节 非晶态合金的制备方法 第四节 大块非晶的制备 第一节 非晶态合金概述 对自然界中的各种物质按不同的物理状态分为两大类：有序结构和无序结构。 晶体为典型的有序结构，而气体、液体及诸如非晶态固体都属于无序结构，气体相当于物质的稀释态，液体和非晶固体相当于凝聚态。 一、非晶态合金的结构特点 与晶态材料的结构相比较，非晶态材料具有以下主要特征： (1)长程无序性 原子的排列从总体上是无规则的，但近邻或次近邻原子间存在短程有序。由于非晶态结构的长程无序性，可以把非晶态材料看作是均匀的和各向同性的结构。 “短程有序”是非晶态固体的基本特征之一。尺寸约约1~1.5nm。 非晶态合金的衍射花样：由较宽的晕和弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑点和条纹。 用电子显微镜看不到由晶粒晶界、晶格缺陷等形成的衍衬反差。 (2)亚稳态性 热力学上处于亚稳定状态，晶化温度以上将发生晶态结构相变，但晶化温度以下能长期稳定存在。 这种热力学上的稳定性直接关系到非晶态材料的使用寿命和应用。 （3）材料特性的调控性 非晶态合金不受化合价的限制，在较宽的成分范围内可以自由调节其组成。因此，它具有许多结晶合金所不具有的优异的材料特性的调控性。 二、非晶合金的发展历史 1947年：Brenner等人用电解和化学沉积方法获得Ni-P、Co-P等非晶态薄膜用作金属保护层； 1960年：美国加州理工Duwez枪淬法首次制备几十微米Au-Si合金薄带；（第一次突破：金属玻璃可人工合成） 1990年：美国贝尔实验室陈寿鹤发展了双辊甩带工艺实现金属非晶薄带量产； 1990年代：日本东北大学Inoue和张涛，美国加州理工Johnson发现了高非晶形成能力合金，大块非晶兴起； （第二次突破） 2000年代：非晶形成能力的研究派生了高熵合金。 三、非晶态合金的性能及应用 非晶态材料的物理、化学性能常比相应的晶态材料更优异，从而具有一系列极有价值的性能特点。 1、力学性能 极高的强度及硬度(如Fe80B20玻璃的屈服点σs可达3626MPa)，硬度值HV为10790MPa，杨氏模量E为165730MPa)，这是因为非晶态金属中没有普通晶态金属中总是存在的活动的晶格位错，而在金属/类金属原子间又有很强的化学键的缘故。在拉伸时，金属玻璃只展现较小的伸长率(1.5～2.5％)，但在压缩时却表现出很高的塑性，它的撕裂能亦比一般晶态合金高，表明在高强度的同时有较好的韧性。 高比强度、超弹性（高弹性极限）、高耐磨损性等。 2、磁学性能 已开发出一系列具有优良软磁和硬磁特性的非晶合金。 铁、钴、镍基的金属玻璃具有十分良好的软磁性能（高磁导率），它们的铁心损耗仅为晶态合金的几分之一，是优异的变压器铁心、磁录音头及多种磁性器件材料。 例如，在电力领域，铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯。由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5-1/3，利用非晶合金取代硅钢可使变压器的空载损耗降低60%-70%。 3、电学性能 由于非晶态合金具有很小直至为零的电阻温度系数，因而可成为标准电阻及磁泡存储材料。高电阻率。 4、化学性能 具有高耐腐蚀性。例如Fe43Cr16Mo16C10B5P10金属玻璃在298K、6mol／L的HCl的极端恶劣环境中，其腐蚀量仅为304不锈钢的10-5。 （因为其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶界、位错等结构缺陷，也没有成分偏析和第二相等，故不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。） 5、其它性能 非晶态合金的表面具有很高的化学活性，许多情况下还具有极为有利的对化学反应的选择性，再加上良好的耐蚀性能，使得金属玻璃有可能成为一种新型的催化剂及电极材料。 某些非晶合金的表面具有只吸附溶液中特定的金属离子的特性，因而可用以从放射性废料中分离某些元素。 此外，非晶合金还是有希望的储氢及超导材料。 应用：非晶态材料可用于日常用品保护和装饰、功能材料的功能膜层、电子、电力、化工等领域。 第二节 金属玻璃的形成机理及其体系 主要内容： 一、金属玻璃的形成机理 二、非晶合金系及其组元特点 制备非晶态合金必须解决的关键问题 有两个： (1)必须形成原子(或分子)混乱排列的状态。 (2)将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。与晶态固体相比，非晶态固体的一个基本特征是其构成的原子(或分子)在很大程度上的混乱排列，体系的自由能比对应的晶态要高，因而是一种亚稳态。 因此，要求所获得非晶合金的使用温度应低于合金的晶化温度。 关系到能否获得玻璃态 关系到是否能处于玻璃态之中。 一、金属玻璃的形成机理 由液态金属连续冷却而得的非晶态合金有时也称为金属