第六讲 非晶合金 Amorphous Alloy
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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
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• 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。
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非晶态合金的性能
非晶体
气体
晶体、非晶体、气体原子排列示意图
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• 非晶原子的排列状态类似液体原子，但它与液体又有不同之处： 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， 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 混乱的； 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）。
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• 非晶合金的结构弛豫和晶化都是亚稳非晶结构产生结构失稳时发生 的相应变化。
• 非晶结构的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，金属玻璃的自由能越高，相应的结构 稳定性越低，越易产生结构弛豫和晶化，选择适当的凝固冷 速对保证非晶稳定性十分重要。 组态熵较大的合金晶化激活能越大，发生结构弛豫或晶化时 所需的能量越高，非晶结构越稳定。 中子辐照可使极细的晶粒非晶化，消除晶化时非均匀形核媒 质，提高非晶合金的稳定性。
• 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
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• 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ห้องสมุดไป่ตู้磁头
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非晶态合金的结构特征
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• 非晶体与晶体都是由气态、液态凝固而成，由于冷却速率不同，形 成的结构也迥然不同。
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，形成非晶态固体。
晶体
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• 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，是一类亚稳
态材料。 亚稳态转变到自由能最低的稳定态需克服一定的能量势
垒，因此亚稳态在一定温度范围内可长期稳定存在；当 温度超过一定值Tc(晶化温度)后，发生稳定化转变，形成 晶态合金。
非晶合金带材
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非晶态合金的发展
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• 1845年，沃茨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次报导是克拉模在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。
在高于晶化温度Tc退火时，由于热激活能增大，非晶合金 克服稳定化转变势垒，形成自由能更低的晶态，晶化转 变涉及原子长程扩散，所需激活能比结构弛豫高，非晶 合金的许多物理性能也产生较大变化。
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• 非晶晶化结晶与合金熔液凝固结晶类似，也是一个形核和长 大的过程。 晶化是固态反应，受原子在固相中的扩散支配，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，晶化形核时主要阻力 项(固固界面能)比凝固时(固液界面能)小； 实际凝固中，非晶形成的同时也可能形成一些细小晶粒， 它们在晶化时可作为非均匀形核媒质，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。 非晶晶化时形核率很高，晶化后晶粒十分细小；
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• 非晶结构的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退火时，非晶合金内原子相对位置会发 生较小变化，非晶合金的结构逐步接近有序度较高的理 想结构，使其总能量降低，同时引起非晶合金密度、比 热、电阻、弹性模量等物理性能产生相应变化，这种结 构变化称为结构弛豫；
非晶Fe基带材
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• 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。
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• 1958年，安德森提出：当晶格无序度超过一定临界标准后， 固体中的电子长程扩散将会消失。
• 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，电子之 间的交换作用与短程序相关，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。
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• 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，杜韦兹等用喷枪法将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。