四、非晶态合金的制备
1、气态急冷法： 气态急冷法一般称为气相沉积
法(PVD和CVD)，PVD主要包括溅
射法和蒸发法，这两种方法都在真 空中进行。 • 溅射法是通过在电场中加速的粒子 轰击用母材制成的靶（阴极)，使被
激发的物质脱离母材而沉积在用液
氮冷却的基板表面上而形成非晶态 薄膜。
• 蒸发法是将合金母材加热汽化，所产生的蒸汽沉积在冷却的 基板上而形成非晶薄膜。这两种方法制得的非晶材料只能是 小片的薄膜，不能进行工业生产,但由于其可制成非晶范围 较宽，因而可用于研究。
造技术，便能制备出大尺寸的非晶合金.
• 进入新世纪以来，人们继续努力寻找各种具有高非晶形成能力和优异 性能的大块非晶合金。先后己有Cu基、Pr基和Co基等新型大块非晶合 金被开发出。
二、非晶态材料结构的主要特征
1.短程有序，长程无序性（乱中有序性） 晶体结构：原子排列是长程有序的，即沿着每个 点阵直线的方向，原子有规则地重复出现（晶体结 构的周期性） 非晶态结构：原子排列没有周期性，即原子的排 列从总体上是无规则的（长程无序），但是，近邻 原子的排列是有一定规律的（短程有序）
“非晶态”含义的英语表达：
Non-crystalline（非结晶状态的）； Amorphous（无定形的）
非晶合金发展及研究现状
• 1934年，德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金。 • 1950年，布伦纳用电沉积法制备出了Ni－P非晶态合金。 • 1960年，DUWEZ等人从熔融金属急冷制成了金属玻璃并开 始进行研究。
时呈整体屈服而不是局部屈服，具有很高的屈服强度。
Deformation characteristics of metallic glass
一些非晶态合金的力学性能
合金 Pd83Fe7Si10 非 晶 态 合 金 Cu57Zr43 Co75Si15B10 Fe80P13C7 Ni75Si8B17 硬度 HV 4018 5292 8918 7448 8408 断裂强度 MPa 1860 1960 3000 3040 2650 1810~213 0 延伸率 弹性模量 % MPa 0.1 0.1 0.2 0.03 0.14 10~12 66640 74480 53900 121520 78400
刚制备完的非晶材料，不是稳定态。在常温常压条 件下，或加热到一定温度进行保温退火，非晶材料 的许多性质将随时间而发生变化，最终会达到另一 种亚稳态，这就是非晶态的结构弛豫。
在非晶态的弛豫过程中，并末发生结晶，它在微观 上发生了结构松弛，是由一种亚稳态变化为另一种 能量较低的亚稳态。 弛豫过程总伴随着体系各种物理性质的改变，所以 从材料的实际应用上看，弛豫过程的研究具有重要 的意义。
大块非晶合金
Mg合金
Zr-Ti-Cu-Ni-Al合金
五、非晶态合金的特性
1、力学性能
非晶态合金力学性能的特点是具有高的强度和硬度。例如
非 晶 态 铝 合 金 的 抗 拉 强 度 (1140MPa) 是 超 硬 铝 抗 拉 强 度 (520MPa)的两倍。非晶态合金Fe80B20抗拉强度达3630MPa， 而晶态超高强度钢的抗拉强度仅为 1820~2000MPa，可见非 晶态合金的强度远非合金钢所及。
属、后过渡族金属与前过渡族金属组成的合金易于形
成非晶.
• 熔点和玻璃化温度之差T ： T =Tm-Tg ，T越小，
形成非晶倾向越大。 因而，成分位于共晶点附近的 合金易于形成非晶.
例如： 一些二元体系（Pd-Si，Zr-Cu、Zr-Be等）， 较难形成非晶态；即使形成了非晶态，在Tg 温度以下极易晶化（不稳定）；
• 1969年，美国人庞德和马丁研究了生产非晶态合金带材的
技术，为规模生产奠定了技术基础。
1976年，美国联信公司生产出10mm宽的非晶态合金 带材，到1994年已经达到年产4万吨的能力。目前美国能 生产出最大宽度达217mm的非晶带材。 2000年9月20日，在钢铁研究总院的非晶带材生产线 上成功地喷出了宽220mm、表面质量良好的非晶带材，它 标志着我国在该材料的研制和生产上达到国际先进水平。
加入第三种组元之后，如Pd-Si-Cu，使熔点温 度Tm大大下降，使得体系的Tg/Tm相对提高。 这样，不仅易于形成非晶态，而且也比较稳 定。
因此，一般来说，多元复杂系更容易形成非晶 态。
非晶态的结构弛豫
弛豫是指在外界因素影响下，一个偏离了原来平衡 态或亚稳态的体系回复到原来状态的过程。
非晶态合金强度高的原因是由于其结构中不存在位错，没
有晶体那样的滑移面，因而不易发生滑移.
屈服强度
各 种 合 金 强 度 比 较
比强度
晶体受到剪切应力时，会以位错为媒介在特定晶面上滑移， 而非晶合金的原子排列是无序的，有很高的自由体积，外力作 用时，可重新排列形成另一稳定的组态，因而非晶态合金屈服
三、非晶态的形成过程
过热熔体 (稳定相) B 过 冷 熔 体 C （亚稳相） E A 晶 体 （稳定相） D
非晶固体 (亚稳相)
E：结晶过程；C：非晶形成过程 ；D：非晶晶化过程
与结晶相比，非晶态形成过程有以下特点：
（1）从熔体中形成非晶态的过程是：ABC 即：过热熔体 过冷熔体 非晶固相 （2）非晶形成是亚稳相之间相互转变，即： 稳定过热液相 亚稳过冷液相 亚稳固相 （3）从现象上看，在非晶态的形成过程中，熔体由 液态变为固态时是连续的、粘滞系数加大的过 程
晶态 18Ni-9Co-5Mo
• 非晶态合金延伸率低但并不脆，而且具有很
高的韧性，非晶薄带可以反复弯曲180º 而不
断裂，并可以冷轧，有些合金的冷轧压下率
可达50%。
各种合金弹性应变极限比较
2、耐蚀性
非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。不锈钢在含有氯离子 的溶液中，易发生点腐蚀、晶间腐蚀，甚至应力腐蚀和氢脆。 而非晶态的Fe-Cr合金可以弥补不锈钢的这些不足。含 ≧8%Cr的铁基非晶态合金在各种介质中都显示出其优越的抗 蚀特性，如在1mol的盐酸溶液中，在30℃下浸泡168小时后， Fe70Cr10P13C7和Fe65Cr10Ni5P13C7非晶态合金的腐蚀速度
非晶态材料的晶化
非晶态材料是亚稳态，通过成核和晶核长大过程 可以发生晶化； 晶化使非晶态材料原有的某些优良性能消失，必 须防止，这也决定了材料使用的极限条件（如最 高使用温度）； 许多非晶态材料在缓慢加热达到某一温度时，开 始大量结晶，这个温度称为晶化温度； 晶化温度越高，非晶态材料的稳定性越好。
为零，而晶态的18-8不锈钢腐蚀速率则为10meCl3· 2O溶液中 10H 的腐蚀速率
试样 晶态不锈钢 18Cr-8Ni 17Cr-14Ni-2.5Mo 非晶态合金 Fe72Cr8P13C7 Fe70Cr10P13C7 Fe65Cr10Ni5P13C7 腐蚀速率/mm· -1 a
晶态和非晶态材料的X-射线衍射谱
晶态和非晶态材料的电子衍射图
晶体衍射花样
非晶合金衍射花样
2.亚稳定性
非晶态是一种亚稳态，其结构具有相对的稳定性，这种稳定
性直接关系非晶态材料的应用及使用寿命。
3.均匀性 显著特点
一层含义：结构均匀、各向同性，它是单相无定形结构，没有 象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层 错等。 二层含义：成分均匀性。在非晶态金属形成过程中，无晶体 那样的异相、析出物、偏析以及其他成分起伏.
不存在晶界、位错、成分偏析等腐蚀形核部位，不易产生点蚀。
晶体
非晶
3、电性能 与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率显著增高 (2~3倍)，例如非晶态的Cu0.6Zr0.4合金的电阻率可 达 350cm ， 而 晶 态 高 电 阻 合 金 的 电 阻 率 仅 为
100cm左右。这是由于非晶态合金原子的无序排
含氧量。
⑴ 熔体水淬法：此方法是将试样用低熔点氧化物
(如B2O3) 包裹起来，在石英管中感应加热熔化,最
后淬入水中得到非晶态合金试样。
⑵ 金属模铸造法：将高纯元素在氩保护下熔融混
合后浇注到铜模中。具体工艺可分为射流成型、
高压铸造、吸铸等。 此外还有悬浮熔炼法、落管技术法、单向区域 熔炼法、高压复合法等。
达100m以上；双辊法尺寸精度好，但调节比较
困难，只能制作宽度在10mm以下的薄带。
非晶态合金生产线示意图
卷带机 测量系统 浇注机
3、非晶态合金块材制备方法
大块非晶合金主要通过调整成分来获得强的非晶形成能力。 Inoue 等人提出了三条简单的经验性规律： ⑴合金系由三个以上组元组成； ⑵主要组元的原子有12%以上的原子尺寸差； ⑶各组元间有大的负混合热； 为了控制冷却过程中的非均匀形核： 一要提高合金的纯度，减少杂质；二 要采用高纯惰性气体保护，尽量减少
• 1984年，Turnbull领导的小组采用B2O3包覆技术净化合金熔体，有效
抑制了过冷合金液体中的非均质形核，进一步得到了厘米级的Pd一Ni 一P大块非晶合金。这也是人们开发出来的第一种大块非晶合金。
• 从二十世纪八十年代末开始，大块非晶合金的研发取得了突破性进展，
人们发现了许多类多组元合金具有很好的非晶形成能力，其临界冷却 速率大都在 100K/s以下，利用简单的水淬法或铜模吸铸法等传统的铸
欲制备非晶材料，必须抑制过程E（结晶 过程）、D（非晶晶化过程）的发生； 欲保证非晶材料稳定性，要研究过程D （非晶晶化过程）发生的条件； 非晶态形成过程的本质是亚稳液相与亚稳 固相之间的转变
非晶态形成条件
• 冷却速度：冷速足够大(大于RC)
• 化学成分：组元间电负性与原子尺寸相差越大(10%~ 20%), 越容易形成非晶态。因而过渡族金属或贵金属 与类金属 (B、C、N、Si、P)、稀土金属与过渡族金
第三章非晶态合金
(Amorphous Alloys)