非晶态合金
第二章非晶态合金综述
第二节
非晶态合金的制备
我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材 料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。 所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规 律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态 材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态 材料。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃 状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降， 而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶 体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝 固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用 的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢 水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速 度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水 降到200℃以下，形成非晶带材。
5 .粉末冶金技术 粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具 进行一定的工艺成型，如温挤压、 动力压实、 粉末轧制、压制烧结等技术。用粉末冶金制备 出的大块非晶合金，不仅要满足密实，而且要 避免晶化。其基本原理是利用非晶态固体在过 冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性, 施加 一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块 体。但所制设备的块体材料在纯度、致密度、 尺寸和成形等方面受到很大限制。
例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加 有效载荷。用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提 高效率，增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字 网ISDN中的变压器。非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系 统的传感器标签。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。
非晶变压器：非晶合金铁芯变压器是用新 型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压 器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指 变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗) 下降80%左右，空载电流(变压器次级开路时， 初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电 流)下降约85%，是目前节能效果较理想的配电 变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等 负载率较低的地方。
3-非晶态合金
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
非晶态合金材料的研究及其应用
非晶态合金材料的研究及其应用非晶态合金材料是一类研究热度较高的材料，其独特的物理和化学性质使其在领域中展现出了广泛的应用。
本文将从非晶态合金材料的基本概念入手，探讨其研究现状以及各个领域的应用。
一、非晶态合金材料的概念非晶态合金材料，又称为非晶态合金或非晶态金属，指的是具有非晶态结构的金属材料。
其在凝固后不具有任何形态或晶体结构，而是一种无规则的、无序的固态结构，和水中的“玻璃”类似。
非晶态合金材料因其独特的物理和化学性质，如高硬度、高强度、高耐腐蚀性、高韧性、高氢吸附能力等，在多个领域具有广泛的应用。
二、非晶态合金材料的研究现状1. 研究历史非晶态合金材料的研究始于20世纪60年代。
最初，非晶态合金材料是通过急冷金属熔液方式制备的。
20世纪70年代，美国贝尔实验室在非晶态合金材料的制备方面取得了重大突破，成为了非晶态合金材料制备技术的奠基者之一。
1992年，日本东北大学材料科学研究所的赤崎峰雄于是年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他对非晶态物质的研究而做出的重大贡献。
2. 制备方法目前，主要的非晶态合金材料制备方法有急冷金属熔液（quenching of liquid alloy）和堆积冷却法（strip casting）两种。
其中，急冷金属熔液是将金属熔体迅速冷却至玻璃化温度以下的方法，从而得到非晶态合金材料。
而堆积冷却法则是在预制好的矩形铜板片面上一并铸造出非晶态合金带材，然后通过机组进一步加工，最终得到性能更为稳定的非晶态合金带材。
此外，还有气相沉积法、反应扩散制备法、脉冲电流热点复合制备法和溅射方法等其他制备方法。
3. 研究进展当前，非晶态合金材料的研究仍在继续，成果颇多。
其中，大量的研究表明，非晶态合金材料的硬度、强度、韧性等性质是可调的，并且与其成分和制备方式密切相关。
同时，通过对非晶态合金材料的成分和结构进行调整，可以制备具有不同性能的复合材料。
所以，这些非晶态合金材料可以在电子、航空、汽车、医疗等多个领域中得到广泛应用。
非晶态合金(Amorphous_Alloys)
Pd-Cu-Ni-P
Pd-Ni-Fe-P
Pd-Cu-B-Si
Ti-Ni-Cu-Sn
Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge)
Fe-(Nb,Mo)-(Al,Ga)-(P,B,Si)
Co-(Al,Ga)-(P,B,Si)
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。因而过度族金属或贵金属 与类金属 (B、C、N、Si、P)、稀土金属与过度族金属、后 过度族金属与前过度族金属组成的合金易于形成非晶.
Al-Y-M合金 非晶形成的成
分范围
Al-Y相图
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.
非晶态
晶 体 与 非 晶 体 的 结 构
晶体与非晶体的
结构
非
晶
体
晶 体
Computer simulation of the disordered atomic structure of a three-component metallic glass
从液态金属冷却凝固过程中粘度和体积的变化见，当
非晶中的切变带
含有晶相的复相组织
三、非晶态合金的结构
非晶态合金的结构与液态金属结构相似，原子排列没
有长程的对称性和周期性，这已为X衍射实验所证实,
非晶体在透射电镜下的
衍射花样由较宽的晕和
弥散环组成。在非晶态
合金中，没有晶界、位
错等晶态合金所特有的
晶格缺陷。
非晶合金衍射花样
非晶态合金——制造航天引擎的新材料
非晶态合金——制造航天引擎的新材料非晶态合金，指的是金属原子成分不规则、具有类似玻璃的非晶结构的金属材料。
与传统的晶态合金相比，非晶态合金具有更高的硬度、韧性和耐腐蚀性等优异性能。
这种材料有很大的应用潜力，尤其是在航空、航天等领域中。
本文将从多个角度分析非晶态合金在航天引擎制造中的应用前景。
一、非晶态合金的优异性能非晶态合金具有以下优异性能，这使得它在航天引擎制造中十分有用：1.高硬度：非晶态合金具有非常高的硬度，主要是因为它们具有很高的熔点和升华温度，并且可以完全避免微晶产生。
这意味着它可以承受更高的压力和温度。
2.高韧性：非晶态合金具有高韧性和抗裂纹扩展的能力。
这种材料可以减少疲劳问题，并提高航天引擎的寿命。
3.耐腐蚀性：因为非晶态合金具有高淬火能力，所以它们非常耐腐蚀。
这在对抗化学反应和环境因素中是至关重要的。
4.良好的导电性和导热性：由于非晶态合金结构的无序性，有助于形成短程有序，在导热性方面表现良好。
而且其电导率比某些晶态合金高出很多。
二、非晶态合金在航天引擎制造中的应用由于其优异的性能，非晶态合金在航天引擎制造中有很广泛的应用。
特别是在燃气轮机和火箭发动机中，非晶态合金材料已经得到广泛应用，并被证明是有效的选择。
以下是几种非晶态合金在航天引擎制造中的应用：1.作为燃烧室材料：非晶态合金可以承受非常高的温度、压力和化学腐蚀，所以它可以被用来制造燃烧室件。
这些部件需要在极端的状态下工作，非晶态合金可以承受这些压力，寿命也比普通材料长得多。
2.作为导弹翼身材料：导弹对翼身材料的要求非常高，尤其是在极速飞行状态下。
非晶态合金的高硬度、良好的导热性和导电性使其成为导弹的先进材料选择。
3.作为推进器材料：在航天发动机和火箭发动机的推进系统中，非晶态合金材料可以承受飞行时的高温高压冲击。
非晶态合金可以很好地满足这些要求。
4.作为锻造模具材料：非晶态合金材料具有较高的强度和硬度，可以在制造锻造模具时提高模具的耐用性和使用寿命。
第2章_金属功能材料-4-非晶态合金
基本工序
原料粉末的制备。机械法和物理化学法。应用最为广泛的是还原法、
雾化法和电解法。 粉末成型为所需形状的坯块。加压成型和无压成型。 坯块的烧结。是粉末冶金工艺中的关键性工序。单元系烧结和多元系 烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合
金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分
类金属元素（或弱金属元素）与非金属元素的组合。形成诸如氧化物、 硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶态物质； 准金属元素和金属元素的组合。如Pd-Si、Co-P、Fe-C等； 金属元素和金属元素的组合。如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等。
6. 非晶态固体的制备方法
（1）一个机理
RC Tm Tn tn
（2）
式中Tm为熔点，Tn、tn分别为C曲线鼻尖所对应的温度和时间。
（3）结构学规律 从化学键类型看，离子键及金属键呈无饱和性、具有密堆积高配
位数，均不易形成非晶态；纯粹的共价键很少形成非晶态。只有处于
离子-共价过渡的混合键型物质，既有离子键容易变更键角易造成无 对称变形的趋势、又有共价键不易更改键长和键角的趋势，故此类物 质最易形成非晶态。大致可以分为3类：
2）液体急冷法 目前制备非晶态金属和合金的主要方法之一，已进入工业化生产 阶段。 实施原理 将液体以大于105℃/s的速度急冷，使液体中紊乱的原子排列保留
下来，成为固体，即得非晶。
要求条件 ① 液体必须与基板接触良好 ② 液体层必须相当薄 ③ 液体与基板从接触开始至凝固终止的时间尽量短
④ 基板导热性好
（2）电子信息领域 为了减小体积，计算机开关电源的工作频率已经从20kHz提高到 500kHz； 为了实现CPU的低电压大电流供电方式，采用磁放大器
非晶合金_精品文档
1. 成核速率
IV
I H0 V
IVHE
均相成核速率：
I H0 V
NV0
exp
1.229 Tr2Tr3
杂质引起的成核速率：
IVHE
AV NS0
exp
1.229 Tr2Tr3
f
2. 晶体生长速率
f
a0
1
exp
H fM Tr RTΒιβλιοθήκη f为界面上生长点与总质点之比
ΔHfM为摩尔分子熔化热
❖ 长程有序和短程有序
晶体：长程、短程均有序； 非晶体：长程无序，短程有序
❖ 单晶体、多晶体、微晶体和非晶体
按照晶粒的大小，固体的层次：单晶体（雪花）、 多晶体（金属，晶体内部有序）、微晶体（小晶体）、 纳米晶体和非晶体。晶体有熔点，非晶态无熔点， 是一个范围。
❖ 非晶态的定义
非晶态材料，顾名思义，就是指非结晶状态的材 料。它是对高温熔液以每秒10万摄氏度的超急冷方法 使其凝固因而来不及结晶而形成的，这时在材料内部 原子作不规则排列，因而产生了晶态材料所没有的性 能。无序，是象液体一样，互相积压，互相靠近，而 不是体心、面心之类。
形象描述： 什么是非晶态材料？ 固态的液体！ 冻着的液体！
❖ 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）。
非晶态合金的原理与应用
非晶态合金的原理与应用随着科技的发展，人们对新型材料的需求也越来越高。
在材料科学领域中，非晶态合金因其独特的物理性质和广泛的应用范围而备受关注。
本篇文章将重点介绍非晶态合金的原理和应用，从而深入了解这一新型材料。
一、非晶态合金的概念非晶态合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一个元素的原子半径比另一个元素的原子半径大得多，在快速冷却的条件下形成的材料。
与晶态合金不同的是，非晶态合金的结构是无序的，没有明显的晶格结构。
这种无序结构使得非晶态合金拥有卓越的力学性能、磁学性能和电学性能，以及高储氢量和高储锂能力等特殊性质。
因此，非晶态合金被广泛应用于诸如制造耐久材料、储氢材料、电子材料、生物医学材料、高强度复合材料等领域。
二、非晶态合金的制备方法快速凝固技术是非晶态合金制备的主流方法之一。
该技术通常采用旋转坩埚法、雨雾法、熔体淬火法、离子束淀积法、激光熔凝法等不同方法，以快速冷却速度将熔融态合金冷却到非晶态。
一些研究人员也采用真空蒸发法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等方法制备非晶态合金。
另外，通过机械合金化、溶胶凝胶法、拔丝等方法制备的非晶态合金也不断涌现。
虽然这些方法相对于快速凝固技术没有取得与之相当的成功，但研究人员对其持续关注并不断寻找新制备工艺。
相信在未来的研究中，这些方法也将得到不断完善。
三、非晶态合金的应用领域1.结构材料因为非晶态合金的无序结构在微观上阻碍了其塑性变形、滑移和晶界行为，从而使得非晶态合金的硬度、强度和韧度等性能大幅提升，成为一种理想的高性能结构材料。
非晶态合金制成的齿轮、弹簧、焊接材料等，具有许多优异的机械性能。
2.储氢材料非晶态合金由于其大比表面积和多孔结构，能够吸收更多的氢气分子。
因此，非晶态合金被广泛用于储能材料，如制造储氢合金。
3.电子材料随着电子器件中电路元器件的微小化，非晶态合金因具有优异的导电性能、化学稳定性、耐磨性、高温稳定性等优点，正逐渐取代传统材料应用于电子器件中，如制造传感器、电子包装材料、导电高分子薄膜等。
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除了居里温度和饱和电感外，铁基非晶合金各项 性能均优于硅钢片，尤其是矫顽力大大低于硅钢 片，使其磁致损失大大低于硅钢片，这便是非晶 铁芯电机和变压器的效率大大提高
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制备技术
从理论上说，任何物质主要它的液体冷却足够 快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在 液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非 晶。但是，不同的物质形成非晶所需要的冷却 速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷 却下来，得到的玻璃就是非晶态的。而单一的 金属则需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才 对纯金属而言，临界 能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制，实 冷速一般为108 K/s, 际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是 而非晶合金106 K /s 说，普的单一的金属难以从生产上制成非晶。
从微晶模型计算得出的分布函数和衍射实验 结果性性相符，但细节上(定量上)符合得并 不理想。如图假设微晶内原子按密排六方晶 格(hcp)，面心立方晶格(fcc)等不同方式排列 时，非晶Ni的双体分布面数g(r)的计算结果与 实验结果比较。人们逐渐对微晶模型持否定 态度。
拓扑无序模型
无序密堆硬球模型：贝尔纳多面体
非晶态合金
Amorphous Alloys
论题提纲
1、概念、结构模型 2、分类 4、结构特点 5、制备技术 6、功能和应用
概念
一种没有原子三维周期性排列 的金属或合金固体。 它在超过几个原子间距范围以 外，不具有长程有序的晶体点 阵排列。
原子在三维空间呈拓扑无序状排列，不存在 长程周期性，但在几个原子间距的范围内， 原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以 认为非晶态合金的原子结构为“长程无序， 短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有 序区小于1．5nm，即不超过4-5个原子间距
随机网络模型
非晶态合金材料种类
1、过渡金属+类金属元素
– ⅦB,ⅧB及ⅠB簇元素与类金属元素形 成的合金，如Pd80Si20，Fe80B20 – ⅣB和ⅥB 族与类金属形成的合金， TiSi15～20
2、过渡金属元素+过渡金属元素
成分范围宽，如CuTi33 ～ 70，Nb-Ni40 ～66
3、含碱金属元素的二元或多元合金： 如Ca-Al12.5 ～47.5，Sr70Mg30
晶体和非晶原子排列
非晶态合金结构模型
微晶模型：该模型认为非晶态材料是由“晶 粒”非常细小的微晶粒组成。从这个角度出 发，非晶态结构和多晶体结构相似，只是“ 晶粒”尺寸只有几埃到几十埃。微晶模型认 为微晶内的短程有序结构和晶态相同，但各 个微晶的取向是杂乱分布的，形成长程无序 结构。
微晶模型模拟结果比较
结构特点
(1)内部原子排列短程有序而长程无序 (2) 均匀性 一层含义：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：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
体系自由能较高，有转变为晶态的倾向。源自 3、化学性能（1）耐蚀性
目前对耐蚀性能研究较多的是 铁基、镍基、钴基非晶态台金， 其中大都含有铬。
由于非晶合金对于腐蚀性强的氯化 物溶液具有极好的耐蚀性，如今在 滨海发电厂很多关键设备都用非晶 合金铸造
（3）贮氢性能
部分非晶合金通过化学反 应可以吸收和放出氢，故 已经用于贮氢材料
2、软磁特性
优异的磁学性能使非晶态合金成为当 今软磁材料的首选材料。 由于非晶合金中没有阻碍磁畴壁移动 晶界、亚晶界及第二相颗粒，所以很 容易磁化。且磁致损失小。因而该材 料制作的磁性材料能够提高能源利用 率。 在传统电力工业中，非晶软磁带材正 逐渐取代硅钢片，使配电变压器的空 载损耗降低60%-80%，大大节约了 能源消耗。
C曲线(TTT图)
非晶态合金薄带制备方法
工业化生产流程
特性
1. 力学性能
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，镍基的有些非晶也只有 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。