非晶合金 与 准晶1.非晶态合金的发现长期以来，提到合金指的就是晶态合金。

提到非晶 态，指的是玻璃态的硅酸盐。

上个世纪六十年代，非 晶态合金的出现，改变了这种情况。

60年代初Duwez等发展了溅射淬火技术，用快速冷 却的方法，使液态合金的无序结构冻结起来，形成非 晶态合金Au3Si，对传统的金属结构理论是一个不小的 冲击，由于非晶态合金具有许多优良性能：高强度、 良好的软磁性、耐腐蚀性等，很快成为重要的功能材 料，获得很快发展。

2.非晶态合金的结构特征非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。

晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。

而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。

从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。

晶态材料与非晶态材料数值密度函数随距离变 化的示意图2.非晶态合金的结构特征非晶态固体与晶态固体相比，结构上的最本质的差别 是不存在长程有序性。

组成晶体的粒子在宏观尺度上 规则排列的周期性，就称为长程有序性。

在非晶态固体中，原子位置的空间分布并不是无规 则的，而是存在一种局域关联性，因此，在非晶态固 体中存在着极为明显的短程有序性。

所谓短程有序 性，就是在原子周围小区域内原子排列的规则性，一 般是用在任一特定原子的最近邻的原子数(即配位数) 来表示。

①非晶合金具有比普通金属更高的强度。

②非晶态合金因其结构呈长程无序，故在物理 性能上与晶态合金不同，显示出异常情况。

③非晶合金比普通金属具有更强的耐化学腐蚀 能力。

非晶态合金是均匀的多元固溶体，不 存在晶界、第二相、析出物等结构缺陷，有 利于抗化学腐蚀。

非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无 序。

晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由 于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。

而非 晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一 个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更 远的原子是无序的。

从X射线衍射强度图可以看出， 晶态有明确、锐利的衍射峰，而非晶态只有较圆滑 的峰，后面是一些不可分辨的曲线，即非晶态合金 不能从X射线衍射中获得太多的信息，目前用径向分 布函数来表征非晶态合金结构。

非晶态材料是均匀、各向同性的前提下，可以用统计方法来描述其结构， 即引入径向分布函数。

晶态材料的径向分布函数成δ函数形式；非晶态合 金的径向分布函数的振幅随r的增大而迅速减小。

3.非晶态的形成抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构 使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持 稳定，不向晶态转化 在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转 变为非晶态冷却过程中液态金属结构上短程有序，物理性质各向同性。

非晶态合金的结构模型¾“微晶”无序模型（a）¾拓扑无序模型（b）非晶态固体的结构可以用三种不同的模型来描述，它们分别是无规密堆积模型、连续无规网络模型和无规线团模型。

1. 无规密堆积模型右图是描述非晶态金属结构的最满意的模型。

这种位形可用来代表无规密堆积模型。

2. 连续无规网络模型以共价键结合的非晶态固体在二维空间的模型示意图。

3. 无规线团模型以有机高分子为基础的非晶态固体的结构模型。

3．非晶态合金的制备要获得非晶态，必须要有足够快的冷却速度(>106K/s)，而用不同冷却技术制备非晶态合金形成过程又有较大的区别。

制备方法大致可以分为三类：（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，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；（2）由液态快速淬火获得非晶态固体，这是目前最广的制备方法；（3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表面产生400um厚的非晶层。

（1）过渡金属与类金属元素（例如P、S、B、C等）形成的合金，例如Pd80Si20, Au75Si25, Fe80B20, Pt75P25等，一般类金属元素在合金含量约13%～15%（原子比），实践证明，在二元合金中若加入某些第三种元素，更容易形成非晶态材料。

（2）过渡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。

例如：Cu－Ti合金，Ti含量可在33～70%之间; Ni －Zr合金，Zr的含量可在33～80%之间变化。

（3）含La系、Ac系元素的非晶态合金。

4．非晶态合金的分类•典型的非晶态合金：1、铁基非晶合金2、铁镍基非晶合金3、钴基非晶合金4、铁基纳米晶合金（超微晶合金）5.性能与应用a.力学性能：非晶态合金具有极高的强度和硬度，/E是衡量材料达到理强度远超过晶态高强度钢，σf/E约为1/500，论强度的程度，一般金属晶态材料σf而非晶态含量约为1/50，材料强度利用率大大高于晶态。

另外，非晶态合金的抗疲劳度亦很高，如Co 基非晶态合金可达1200MPa。

非晶态合金的延伸率一般较低，但韧性很好，变形时压缩率可达40%。

b. 非晶态固体的应用•非晶态固体与人们的生活密有切联系，如玻璃制成的光导纤维、富Te和Ge-Te半导体玻璃以及软磁非晶态合金（铁磁玻璃）等。

另外如有机玻璃、各种塑料和合成纤维、碳纤维等也都是非晶态有机聚合物的应用。

它们已经成了现代建筑、交通、通信工具等不可替代的结构材料。

•非晶态合金的应用：在高档录音、录像机中广泛应用的高耐磨音频视频磁头。

图书管或超市中的报警设施等。

对称性和对称破缺如果你能把物理学学到最薄处，用一页纸写出物理学的精华，那上面一定写着：对称，和谐，美To see a world in a grain of sandand a heaven in a wild flowerHold infinite in the palm of your handand eternity in an hour一粒沙里有一个世界一朵花里有一个天堂把无穷无尽握于手掌永恒宁非是刹那时光(荷兰，乌仑贝克，1925年电子自旋发现者）•长程取向序但无周期性非晶体学点对称操作（5次、8次、10次、12次）SS S S L L L L L L L S L Fibonacci 序列二维正方点阵向一维平行空间投影，得到一维空间的准晶准晶一. 准晶的发现1984年10月Shechtman报道:在急冷凝固的Al－Mn 合金中发现一种具有五重旋转轴的二十面体相（Icosahedral phase），我国郭可信等在1984年底，也Ni合金中发现五重电子衍射图，后来这类化合物从Ti2就被称为准晶（quasicrystal），是准周期晶体的简称（Quasiperiodic Crystal）。

当时，这些论文在晶体学及有关学科产生轩然大波。

因为周期性是晶体性的基础，晶体中只能观察到2、3、4、6重对称轴，而准晶恰恰是对周期性的挑战。

1.D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, and J.W. Cahn, "Metalicphase with with long-rangeorientational order and notranslational symmetry," Phys. Rev.Lett.53 (1984) 1951-1953.(1) 准晶体1984年, Shechtman 等在寻找既轻又硬的Al 合金中,在急冷的Al-Mn 合金中获得了具有五重对称,斑点明锐的电子衍射图,定出其点群为m35.郭可信: 五次对称,八次对称,十二次对称1985年发现五重旋转对称和Ti-Ni-V 二十面体准晶，1988年发现八重旋转对称准晶及十二次对称准晶,1988年发现稳定Al-Cu-Co 十重旋转对称准晶及一维准晶。

发现Al －Mn 二十面体准晶后，Raman Chandranrao 等联想到Pauling 等的Mg 32(Al,Zn)49的二十面体对称壳层。

他按这个成分配制的合金，急冷凝固后果然得到二十面体准晶。

因Al 5Li 3Cu 与Mg 32(Al,Zn)49同构，第一个稳定的二十面体准晶Al －Li －Cu 合金是长时间从固溶体中析出的。

因为首先发现的Al－Mn准晶只能在急冷凝固下生成，而且加热后会转变成晶相。

稳定准晶的出现证明准晶是一种稳定态，与晶体一样也有长程序和取向性，只是没有平移周期性，也可用X射线进行衍射结构分析。

以后又在急冷的Cr－Ni－Si，V－Ni－Si和Mn－Si－Al合金中发现8重准晶。

最早发现的十重准晶是在Al－Mn合金，与二十面体准晶共生，接着又在Al－Co －Cu合金中发现十重准晶。

Cr－Ni－Si还可得到二十重准晶。

这些属于二维准晶，有一维周期平移。

（二十面体准晶为三维准晶，无周期性）这是一个转变过程，即准晶向晶体的过渡。

三维二十面体准晶——二维十重准晶——一维准晶——晶体（无周期）(一维周期平移）(二维周期平移）(三维周期平移）材料的稳态结构与亚稳态结构稳态：体系自由能最低的平衡状态。

亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡。

同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。

因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。

•非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：（1）细晶组织当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。

（2）高密度晶体缺陷的存在晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。

（3）形成过饱和固溶体即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解。

（4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高。

准晶的分类•准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。

准晶结构有多种形式，就目前所知可分成下列几种类型：•a．一维准晶这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。

•b．二维准晶它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。

•c．二十面体准晶可分为A和B两类。

A类以含有54个原子的二十面体作为结构单元；B类则以含有137个原子的多面体为结构单元；A类二十面体多数是铝-过渡族元素化合物，而B 族极少含有过渡族元素。