非晶合金的强化机制及其应用Strengthening Mechanism of Non-crystal Alloy and itsApplication(兰州理工大学,甘肃 兰州 730000)摘要: 非晶态合金中，原子不呈长程规则排列，是一种完全各向同性的材料。
非晶态合金没有界面，原子呈集团地移动，其变形须施加更大的外力。
非晶态合金的晶粒直径一般都在纳米级，内部往往会有的第二相，有大量的固溶原子。
非晶态合金独特的不同寻常的性能使得这类材料可以被用于体育用品、高性能结构材料、生物医学材料、空间探测材料等各种领域。
关键词: 非晶态合金；强化机制；非晶态合金应用Abstract: Amorphous alloy with atoms not regularly arranged longly is a completely isotropic material. Amorphous alloy does not have interface, making atoms as group to move. Its deformation requires exert more force.Grain diameter of the amorphous alloy within which there is often a second phase, a large number of solute atoms is generally at the nanoscale. Amorphous alloy can be used in the fields of sporting goods, high-performance structural materials, biomedical materials, space exploration and so on.Key words: Amorphous alloy ；Strengthening mechanism ；Amorphous alloy application1引言金属的强度主要是指抵抗塑性变形的能力而塑性变形产生的主要机制是位错在滑移面上的移动。
所以，根据目前工业生产中已经采用的金属材辩的强化手段以及国内外材料发展的新动向，可以得出这样的认识塑性材料的强化可以分为两种途径。
一是尽量消除位错等晶体缺陷，获得尽量完美的单晶材料。
提高金属强度的另一个途径是有意识的增加位错密度ρ及其移动阻力（如下图1.1）。
前面指出了金属材料强化的两个途径，即从退火状态出发向减少σ和增加ρ两个方向发展，多年来国内外在这方面取得了很大进展，那么向增加ρ的方向继续向前发展，会出现什么情况呢?我们得出的结论是：应向无序结构一非晶态合金构研究和应用方面努力[1-4]。
图1.1 σ随ρ变化的关系图2 非晶态合金强化机制 非晶态合金中，原子不呈长程规图2.1 晶体与非晶体二维结构排列模型则排列，它是与理想状态正相反的无序状态，称为致密无序堆积结构。
如果用二维模型来描述的话，则如图2.1所示的结构。
与晶态结构比较可以看出，非晶态结构的间隙多，从小范围内看是不均质的，但从大范围看则是更均质的[4-7]，而且没有偏析、晶界、位错等缺陷，是一种完全各向同性的材料。
目前已知的非晶态合金大致可分为金属一半金属系和金属一金属系。
元素周期表中大部分金属元素都可通过台金化使其非晶化。
特别是含15~30％(原子百分数)的半金属硼、碳、磷、硅、锗等合金(大部分接近共晶成分)，及原子半径大的金属元素彼此间组成的合金[7-8]。
非晶态合金一般都具有很高的硬度和强度。
非晶态合金的高强度主要取决于它的结构，如图2.1所示，在晶态合金上施加剪应力，则会像图 2.1a 那样，以位错为媒介在特定的晶面上产生滑移，滑移面上下的原子按箭头所示的方向发生位移。
但非晶态合金没有界面，所以原子只能呈集团地移动，如图 2.1b，若使其变形，必须施加更大的外力，即屈服强度提高。
例如，铁系非晶态合金Fe80B20屈服强度为3500MN／m2，远远超过常用的超高强度的马氏体时效钢(2000 MN／m2)，硬度H V达到1100。
晶界是位错运动的最大障碍之一。
由于晶界两侧原子取向不同，因而其中一个晶粒滑移不能直接进入第二个晶粒，就便位错在晶界附近集中，激发相邻晶粒中的位错源启动，使滑移传播到相邻晶粒中去，晶界对位错的这种阻碍作用，随晶粒的细化而强化。
实验证明，在许多金属中多晶体的屈服强度与晶粒的大小的关系是：21-+=BdAsσ其中A、B是常数，d是晶粒直径。
非晶态合金的晶粒直径一般都在纳米级，这就造成了非晶态合金的强度一般很高[8-10]。
合金一般都由两个以上的相组成，即合金的组织除了基体以外还常常存在第二相。
合金的性能不仅决定于基体的性能，也取决第二相的性质、大小、形状和分布。
合金的这种强化的主要原因是高分散度的质点成为障碍物，阻碍滑移过程的位错运动，从而增加了塑性变形的抗力。
第二相质点愈细、愈多，则位错线愈不易弯曲，从而需克服位错线张力所引起的相对阻抗愈大，强化效果愈好(如图2.2，a)。
反之，若质点聚集、粗化(过失效)，则金属的强度便降低。
因为在这种情况下，位错线容易弯曲地通过这些质点而前进(图2.2，b)，这正象位错源一样，在质点周围留下位错环以后，可以继续前进。
非晶态合金内部往往会有的第二相，从而导致非晶具有大的强度[10-13]。
图2.2 弥散强化示意图固溶强化乃是指溶质原子溶入溶剂的晶格中而带来的强化效应。
产生固溶强化效应的原因是多方面的，其主要原因，一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，从而产生附加的应力场，阻碍位错的运动；二是溶质原子常被吸附在位错线的附近形成柯氏气团(Cottrelll气团)，如图2.3所示，从而降低了位错的能量状态，也就降低了位错的易动性，导致合金强度的提高。
非晶态合金内部往往会有大量的固溶原子，从而导致非晶具有大的强度[6]。
图2.3 固溶原子在位错线附近的分布图（—间隙原子，—小的置换原子，—大的置换原子）3 非晶态合金应用非晶态合金独特的不同寻常的性能使得这类材料可以被用于各种领域。
在不远的将来，随着研究的进一步发展，非晶合金这种材料在基础研究和实际应用方面将变得越来越重要[32]。
（1）体育用品非晶态合金作为高性能材料而首先得到商业化应用是制做高尔夫球拍，如图3.1所示。
除了低密度、高比强度等优点之外，非晶态合金的其它一些性能，比如低的弹性模量和振动响应，使得球手在击球时手感更舒适，更便于对球的控制。
另外，非晶态合金制做的球头的能量传递效率非常高。
钢制球拍只能把60%的打击能量传递给球，钛合金球拍能把70%的能量传递给球，其余的能量则因球头形变而被吸收。
非晶态合金制的球头能把99%的能量传递给球，正是由于非晶合金特殊的回弹与振动吸收性能，以至于不得不规定用非晶合金制成的高尔夫球头不能用于高尔夫球职业赛[14]。
非晶态合金的这些优异特性，使得它在某些高端体育用品上也会得到应用，比如，网球拍[15]、棒球棒、自行车车架、滑雪和滑冰用具[16]等。
图3.1块体非晶合金高尔夫球头(2) 高性能结构材料图3.2 非晶合金制作的高级Vertu手壳将非晶态合金模铸成截面很薄的元器件已经成为可能，这使得非晶态合金对镁合金在电子领域的应用提出挑战。
随着个人电子产品的不断小型化，人们迫切要求将外壳做得小而薄，同时又具有足够的机械强度，在这方面，非晶态合金比高分子聚合材料和传统轻合金存在明显优势。
人们已经开发出用非晶态合金制作外壳的手机和数码相机，图3.2为用非晶合金制作而成的高级手机外壳[17]。
非晶态合金具有超过常规材料2倍以上的高比强度，使这种材料在航空领域很有竞争力。
特别是对铝合金来说，当非晶基体上析出纳米晶颗粒时，由Al基非晶/纳米晶相组成的复合材料其抗拉强度可达普通晶态铝合金数倍，成为目前航天航空材料中比强度最高的材料，是理想的航空、航天器的结构材料。
非晶态合金的一些特殊性能能够明显地提高许多军工产品的性能和安全性。
美国的研究人员正在开发非晶合金穿甲弹，以取代目前的贫铀穿甲弹，因为贫铀弹对生态环境具有一定的污染性，其使用受到谴责。
用钨丝增强的块体非晶复合材料制造的穿甲弹和氧化物玻璃一样具有自锐性，而且在穿甲时效率很高。
非晶态合金高的比强度使得军用器件在小型化和轻量化的同时不降低其可靠性[18]。
(3) 生物医学材料高生物兼容性是非晶合金用于医学上修复移植和制造外科手术器件的一个非常重要的性能。
目前块体非晶合金在生物医学上可以预见的用途有：外科手术刀、人造骨头、用于电磁刺激的体内生物传感、人造牙齿等。
在微型医疗设备、微型摄像机、微型机器人[19]等方面，过去这些设备的关键零件，如微型齿轮、传动轴等，大都采用不锈钢材料制造，不仅强度和耐磨性达不到要求，而且加工非常困难。
使用块体非晶合金不但可以制造更小的金属齿轮（直径小于1mm），同时其机械性能远远高于常见金属材料制的零件。
(4) 空间探测材料图3.3非晶材料宇宙飞船太阳风收集器由于非晶合金的特殊性能，它将在未来的太空探索中发挥独特的作用。
例如，美国宇航局在2001年发射的起源号宇宙飞船上安装了用Zr-Al-Ni-Cu块体非晶合金制成的太阳风收集器[20]（图3.3）。
当飞船接近太阳风暴时，高能粒子撞击非晶盘并进入盘中，由于非晶中的原子是随机密堆排列，不存在晶体结构中的通道效应，因而能够有效地截留住高能粒子。
由于非晶的低摩擦、高强度和高抗磨损特性，块体非晶合金已经被美国宇航局选为下一个火星探测计划中钻探岩石的钻头保护壳材料。
另外，利用块体非晶合金制造的航天轴承滚珠正在研制中[21]。
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