其它一些因素也能影响金属玻璃的结构稳定性： – 退火温度一定时，组态熵较大的合金晶化激活能 较大，非晶发生结构弛豫或晶化所需激活能越大， 非晶结构就越稳定。 – 玻璃形成能力(GFA)较强的合金形成的非晶结构 稳定性较高，共晶成分或接近共晶成分的合金 GFA很强，它们形成的非晶稳定性一般都很高。 – 中子辐照可使极细晶粒非晶化，消除非晶合金晶 化时非均匀形核媒质，提高非晶合金的稳定性。
1、非晶态金属的结构
非晶态合金
（1）内部原子排列短程有序而长程无序
主要特点
气体、液体和固体的原子分布函数
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
(2)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 （3）热力学不稳定性
强度、硬度和刚度
非晶中原子有较强的键合，特别是金属-类金属非晶 中原子键合比一般晶态合金强得多； 非晶合金中原子排列长程无序，缺乏周期性，合金 受力时不会产生滑移。 非晶合金具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是 强度最高的实用材料之一。

高强度非晶材料
金属玻璃的强度、硬度和弹性模量
合金 屈服强度 /GPa 断裂强度 /GPa 硬度Hv /MPa 弹性模量 /GPa
五、非晶态金属性能特点及应用
1、力学性能
非晶态合金
非晶态合金的硬度、强度、韧性和耐磨性明显高于普 通钢铁材料。铁基和镍基非晶态金属的抗张强度可达 4000MPa左右，镍基的非晶也可达到3500MPa左右，都 比晶态钢丝材料高。非晶态合金的延伸率一般较低， 但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40％，轧制 压率可达50％以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很 小曲率半径而不折断。
研究方向： 1.新型非晶、纳米材料的探索及形成规律研究； 2.非晶、纳米材料的结构及极端条件下的物理性能； 3.非晶态物理； 4.高压下的非平衡相变及亚稳材料的合成； 5.新材料的在微重力及空间条件下的制备形成规律研究； 6.非晶合金的结构及变形机理。
我组柳延辉博士及其导师汪卫华研究员分别荣获2009年度院优博奖和导师奖
汪卫华
男，1993年在中科院物理所获博士学位，1994年至 1997年先后在德国Gottingen大学、柏林Hahn-Mitner所 作博士后和洪堡学者；现任中国科学院物理研究所研 究员、博士生导师、课题组长，中国科学院极端条件 物理重点实验室副主任。99年国家杰出青年基金获得 者。国家基金委创新群体学术带头人.

非晶固体的原子类似液体原子的排列状态，但它与液体 又有不同： – 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，它具 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；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）。
四、非晶态金属的制备
1、非晶态的形成条件
非晶态合金
原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶 体。也就是说，只要冷却速度足够快．使熔体中原 子来不及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非 晶态金属。
制备非晶态材料必须解决两个关键问题： 一是必须形成原子（或分子）混乱排列的状态 二是将这种热力学上的亚稳态在一定温度范围 内保存下来，使之不向晶态转变
四、非晶态金属的制
晶态
Tg Tm
温度
液态金属凝固时比热容的变化 对纯金属而言，临界冷速一般为108 K/s,而合金106 K /s
四、非晶态金属的制备
2、非晶态金属的制备方法
非晶态合金
制备原理：使液态金属以大于临界冷却速度急速冷 却，使结晶过程受阻而形成非晶态；将这种热力学 上的亚稳态保存下来冷却到玻璃态转变温度以下而 不向晶态转变。
体系自由能较高，有转变为晶态的倾向
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
2、非晶态金属结构模型 （1）微晶模型
认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。 微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在 许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。 不考虑晶界上原子的排布情况是不合理的。
（2）拓扑无序模型
（1）骤冷法
基本原理：先将金属或合金加热熔融成液态，然 后通过各种不同的途径使它们以105～108 K/s的高 速冷却，致使液态金属的无序结构得以保存下来 而形成非晶态。 采用此法制备的非晶态合金通常具有高强度、高硬 度、高耐蚀性和其它优异的电磁性能。
四、非晶态金属的制备
（2）化学还原法
非晶态合金

非晶的结构弛豫和晶化都是结构失稳时产生的变 化，非晶的结构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，金属玻璃的自由能就会 越高，相应的结构稳定性会越低，在一定条件 下越容易产生结构弛豫和晶化。选择适当的凝 固冷速对保证金属玻璃稳定性十分重要。
该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混 乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看 作是无规堆积时附带产生的结果。
三、非晶态金属的结构特点
非晶态合金
此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够 准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹 性，磁性等，还是取得了一定的成功。
非晶态结构模型

非晶态合金
非晶态合金的分类 非晶态金属的发展历史 非晶态金属的结构特点 非晶态金属的制备
非晶态金属性能特点及应用
一、非晶态金属合金的分类
非晶态合金
非晶态合金统称为“金属玻璃”。以极高的速度使熔融状 态的合金冷却，凝固后的合金呈玻璃态，即长程无序状态。 可分为两大类： （1）金属＋金属型非晶态合金 （2）金属＋类金属型非晶态合金
基本原理：用还原剂KBH4(或NaBH4)和NaH2PO4 分别还原金属的盐溶液，得到非晶态合金
由该法制备的非晶态合金组成不受低共熔点的限制。
(3)沉积法 通过蒸发、溅射、电解等方法使金属原子凝聚或沉 积而成。
四、非晶态金属的制备
非晶态合金
非晶态金属合金的电沉积有两大优点: 首先从实 用的角度，这些合全都具有较高的机械强度和硬 度，优异的磁性能，较好的耐腐蚀能力和电催化 活性。 其次在理论意义上，合金的电沉积往往属于异常 共沉积或诱导共沉积的类型。 (4)化学镀法 利用激光，离子注入、喷镀、爆炸成型等方法使 材料结构无序化。
非晶体与晶体都是由气态、液态凝结而成的固体，由于冷却速 率不同，造成结构的迥然不同。 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，冻结成非晶态固体。
晶体 非晶体 气体 晶体、非晶体、气体原子排列示意图
已广泛应用于制造各种特殊的功能材料。
四、非晶态金属的制备
3、影响非晶态合金形成的几个因素 （1）合金中类金属的含量
非晶态合金
随类金属含量的增加，非晶态合金的形成倾向和稳 定性提高 （2）原子尺寸差别
原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加
金属玻璃结构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下退火时，合金内部原子的相对 位置会发生较小变化，合金密度增加，应力减小， 能量降低，使金属玻璃的结构逐步接近有序度较高 的“理想玻璃”结构，这种结构变化称为结构弛豫。 发生结构弛豫的同时，非晶合金的密度、比热、粘 度、电阻、弹性模量等性质也会产生相应变化。
1971年 非晶态合金Metglas首次进入市场 1980年 非晶态金属作为催化剂开展了大量研究
1977年诺贝尔物理学奖 ----电子结构理论 P.W.安德森 莫特 范弗莱克
1977年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州缪勒山（Murray Hill）贝尔实 验室的P.W.安德森（Philip W.Anderson,1923-- ）、英国剑桥大学的莫特（Nevill Mott,1905-1996）和美国哈佛大学的范弗莱克（John Van Vleck,1899-1980）， 以表彰他们对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究。 P.W.安德森1923年12月13日出生于美国伊利诺斯州的印第安纳波利斯 （Indianapolis）。中学毕业后，进入哈佛大学，主修数学。可是不久第二次世 界大战爆发。P.W安德森在此期间应招入伍，被分配去学习电子物力，不久派 遣到海军研究实验室建造天线。这项工作使他对西方电气公司贝尔实验室有所 了解。战争结束后，P.W.安德森返回哈佛大学，就下决心相物理学家学习，作 一名物理学家。在这些物理学家中，以电子结构理论著称的磁学专家范弗德莱 是他最敬佩的物理学家之一。他和范德莱克曾经一起在军事部门工作过，范弗 莱克是哈佛大学的著名教授，正是范弗莱克的指引，P.W.安德森后来决心把自 己的研究方向定位在固体的电子结构和现代磁学，在范弗莱克的指引下研究了 微波和红外光谱的压力增宽。他为了用分子间相互作用解释这些谱线在高密度 下增宽的现象，借助于洛伦兹等人的理论发展一种更普遍的方法，运用于从微 波到红外和可见光的光谱学。他还根据已知的分子作用计算出了初步的定量结 果。
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。
非晶合金带材
• 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。
三、非晶态金属的结构特点

金属玻璃在高于晶化温度Tc退火时，由于热激活的 能量增大，非晶合金克服稳定化转变势垒，转变成 自由能更低的晶态。 晶化中金属玻璃的结构变化较大，一般涉及原子长 程扩散，所需激活能比发生结构弛豫时高。晶化中 发生相应的结构变化，合金许多性质也会产生较大 的变化。