第八章非晶态合金案例
非晶态合金制备综述课堂PPT(1).ppt
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2.4 化学还原法
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。
化学还原法的基本原理是: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。
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2.5 机械合金化和机械球磨技术
对结构研究建模的方法
为了进一步了解非晶态的结构，通常在理 论上把非晶态材料中原子的排列情况模型 化，其模型归纳起来可分为两大类。
微晶模型
不连续 模型
连续 模型
聚集团模型等
连续无规则 网络模型
硬球无规则 密堆模型等
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2、非晶态合金制备工艺
• 非晶态材料制备主要以快冷凝固技术为主。快冷凝固又包 括急冷技术和大过冷技术。
越来越多的 研究者被吸 引到此领域， 竞相发明不 同的技术， 并以此制备 各种不同的 非晶态合金。
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现阶段的发展
• 20世纪70年代后，人们制备出厚度小于50μm、宽15cm的
连续非晶薄带
1974年Chen在约103K/s的冷却速度条件下 用Pd-Cu-Si 熔体首次得到毫米级直径的非晶。
•20世纪80年代， Turnbull等采用氧化物包覆技术以10K/s 的速度制备出厘米级的Pd-Ni-P非晶。
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2.3 溅射、气相沉积法
溅射是用离子把原子打出来,而气相沉积法是利用热 能让原子逸出来,两者都是在基板上把逸出来的原子沉 积固定在基板表面上。以108 K/s 冷却速度冷却,可以得 到薄膜,很容易获得非晶态。
由于沉积固化机构是一个原子接一个原子排列堆 积起来的,所以,长大速度很慢,在实用上存在困难,然而, 大规模集成电路中用的非晶态薄膜已得到应用。
非晶态合金
非晶态合金 Amorphous Alloys
非晶态合金的结构
概述，晶体与非晶 材料结构研究方法：散射法
光子：微波、红外、可见光、紫外线、X射线、γ 射线 电子
中子：冷中子、热中子、超热中子
非晶态合金的结构
双体分布函数
g (r )
原子分布函数
(r ) 0
双体分布函数
J (r ) 0 g (r ) 4r 2
非晶态合金的性能及应用
力学性能：强度远超晶态的高强度钢 软磁特性：无各向异性，磁导率、饱和磁感 应强度高；矫顽力低、损耗小 耐蚀性能：比不锈钢好的多 其他性能及应用
复杂的电阻-温度关系 催化特性
超导电性（见教材表6-7，P68）
各种散射实验方法
晶体和非晶原子排列
气体、固体、液体的原子分布函数
气体、固体、液体的原子分布函数
非晶态合金结构模型
微晶模型：非晶态材料是由“晶粒”非常细小的 微晶粒组成 拓扑无序模型
无序密堆硬球模型：贝尔纳多面体 随机网络模型
非晶态材料的制备
形成非晶态的条件
结构判据 动力学判据 C曲线（TTT图）及连续冷却图(CCT图)
第八章非晶态合金案例教学文案
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。
首次建立了原位X射线衍射研究多层膜中互扩散的新技 术，精确测量出一系列多层膜在固相反应中的互扩散 系数；发现多层膜中扩散规律及与固相反应的关系。
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
非晶态合金
1、非晶态金属的结构 （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。
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
非晶态合金的研究与应用
非晶态合金的研究与应用非晶态合金是一种新型材料，它由于拥有优异的耐热、耐腐蚀、高强度等特性，近年来在航空、汽车、电子等领域得到了广泛应用。
本文将就非晶态合金的研究进展、应用现状以及未来展望进行探讨。
一、研究进展非晶态合金是指其晶体结构为无定形或近似无定形的金属合金，具有独特的物理、化学、机械等性质。
20世纪60年代初期，普鲁士莱茵的巴赫曼等人首次制备出铌基非晶态合金，此后，非晶态合金的研究逐渐成为材料科学的一个重要研究方向。
经过多年的研究，目前已经开发出了包括铁基、镍基、铜基、铝基、镁基等各种类型的非晶态合金，并对其晶体结构和性质进行了深入的研究。
二、应用现状1. 航空领域非晶态合金由于具有高强度、高韧性、耐热、耐腐蚀等特性，被广泛应用于航空领域。
例如，美国洛克希德公司利用非晶态合金制造出了一种新型航空发动机，其在空气动力学性能、噪音减小等方面都有明显优势。
2. 汽车领域非晶态合金在汽车领域的应用也越来越广泛。
一方面，它可以用于汽车发动机的关键零部件，例如气门、软驱动轮等，提高汽车的使用寿命和性能。
另一方面，非晶态合金可以制成优质的碳纤维强化复合材料，用于汽车的车身和车架等关键部件。
3. 电子领域非晶态合金在电子领域的应用也十分广泛。
例如，可以用于制造具有高密度、高性能的磁存储器件；也可以用于制造高效、节能的电力变压器。
三、未来展望目前，非晶态合金的研究已经向材料的多功能化、多组分化、形状记忆等方向发展。
未来，非晶态合金的研究方向将主要集中在以下几个方面：1. 研究制备大块非晶态合金目前，非晶态合金的制备还存在着一些难点，如制备简便度较低、生产成本较高等问题。
因此，未来将继续探索新的制备方法，力争制备大块非晶态合金。
2. 规模化应用目前，虽然非晶态合金在各个领域得到了广泛应用，但其规模化应用还面临着很多困难。
因此，未来将加大推广力度，促进非晶态合金的规模化应用。
3. 多功能化材料的开发除了单一的材料特性，未来非晶态合金的研究将探索其多功能化应用。
湖南大学金属功能材料第8章 非晶态金属材料
1951年，美国物理学家Turnbull通过水银的过冷 实验，提出液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下 而不产生形核与长大。根据他的理论，在一定条件 下，液态金属可以冷却到非晶态。所以， Turnbull 实际上是非晶态合金的理论奠基人。
20 世纪 60 年代，非晶态合金的研究获得了重要 突破。 1960 年美国加州理工学院的 Duwez 小组发明 了采用喷枪技术来急冷金属液体的快速淬火技术。 这种快凝淬火可以达到105～106K/s冷却速度，在这 样快的冷却条件下，Au75Si25合金熔体越过结晶相的 形核和生长而形成过冷液体，即非晶态合金。这就 是大家所熟知的世界上首次报道的非晶合金。尽管 最初他们只能将数mg的液态金属喷射到Cu基底上， 获得的试样的形状不规则，厚度也不均匀，看起来 似乎没有什么商业使用价值，但是 Duwez 工作的重 要意义在于采用快冷技术比气相沉积等其他方法更 容易使大量合金形成非晶态。
在非晶合金的研究中，倾向于将毫米尺度的非晶 作为块体非晶。具有毫米级直径的非晶棒首先是由 贝尔实验室的H.S. Chen于1974年在约100K/s的冷却 速度条件下用 Pd-Cu-Si 熔体得到的。一年以后，他 们又发现了Pt-Ni-P和Au-Si-Ge两个非晶态合金系。
20 世纪 80 年代前期， Turnbull 等采用氧化物包覆 技术以 10K/s 的速度制出了厘米级的 Pd-Ni-P 非晶。 实验表明，当异质形核被抑制，合金的Trg值可以达 到 2/3，而且在冷却速度仅为 10K/s 量级时就能凝固 成厘米级的玻璃锭。尽管Pd级块体非晶合金的形成 是非常令人振奋的，但是由于Pd的价格昂贵，人们 对块体非晶合金的兴趣仅限于学术研究，其新颖性 在随后的几年逐渐下降。尽管如此，人们对新块体 非晶合金体系的探索和相关研究始00K/s ，进而生产出了均匀的块状非晶。现在大块 非晶的厚度可达到1cm。但由于数量的限制，到目前 为止对块状非晶的研究还是比较少。由于带状非晶 出现得比较早，而且比较容易生产，人们对带状非 晶的研究比较充分。
非晶态合金分析
摘要本文采用铜模吸铸法制备了有较强玻璃形成能力的Cu50Zr42Al8合金的圆锥形试样。
对制备的试样分别沿轴向和径向在不同的部位取样,利用X射线衍射（XRD）表征材料的结构特点，用金相显微镜(MeF3)观察试样的微观组织变化，用显微硬度计对圆锥形试样的硬度进行了测量。
研究表明，冷却速率对Cu50Zr42Al8合金的铸态组织有很大的影响。
由于冷却速率的不同，圆锥形试样的显微组织由表面到中心有一定的变化，依次形成了表面非晶区、非晶－晶体过渡区和中心晶体区。
过渡区内由晶体和非晶体组成，晶体的尺寸和体积分数由表面到中心逐渐增加，具有梯度变化的特征。
冷却速率不同，试样的显微硬度也不相同，在晶体区内，中心部位的硬度要高；非晶区中，中心部位的冷却速率小，硬度却高；而介于晶体－非晶之间的过渡区硬度却较低。
关键词：Cu基块状非晶；冷却速率；微观组织；显微硬度AbstractThe Cu50Zr42Al8 alloy with high glass forming ability was prepared by copper mold suction-casting process. The taper shape of sample with bottom diameters close to 10mm and with length 80mm was obtained. X-ray diffraction(XRD) was used to characterize the evolution of structure,metallograghic microscope(MeF3) was used to characterize the microstructure and micro-sclerometer was used to test microhardness.The study shows that the cooling rate was greet influence on the as-cast microstructure of Cu50Zr42Al8alloy.With different rate of cooling,micro-structure of Cu50Zr42Al8alloy are different.From the surface to the center, the fully amorphous region,glass/crystal composite and full crystal region exist respectively, The crystal size and the volume fraction increase gradually from the surface to the center, haveing the gradient characteristic. The rate of cooling is different, the test specimen microhardness is different either. To crystal area ,hardness is high in center, to amorphous region, the rate of cooling in center is small, hardness is actually high.Keyword:Cu-based bulk amorphous alloys; Rate of cooling; Micro-organization; Microhardness目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1非晶态合金简述 (1)1.2非晶合金的发展历史与研究现状 (1)1.3非晶合金的性能特征与应用 (3)1.4C U基块状非晶合金性能的研究现状 (4)1.5本论文研究的内容及意义 (8)第二章实验材料与实验方法 (9)2.1实验材料及实验工艺流程 (9)2.2实验用设备 (10)2.2.1 冷坩埚悬浮熔炼法制备锥形试样 (10)2.2.2 X射线衍射 (12)2.2.3 MeF3金相显微镜 (13)2.2.4 显微硬度 (13)第三章Cu50Zr42Al8合金的XRD分析 (14)3.1实验方法 (14)3.2实验结果 (14)3.3结果分析及讨论 (16)第四章Cu50Zr42Al8合金的组织分析 (18)4.1实验方法 (18)4.2实验结果 (18)4.3结果分析与讨论 (22)第五章Cu50Zr42Al8合金的硬度分析 (24)5.1实验方法 (24)5.2实验结果 (24)5.3结果分析与讨论 (27)结论 (28)参考文献 (29)英文资料翻译部分 (31)致谢 (55)第一章绪论1.1 非晶态合金简述自然界中的各种物质，就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两类。
功能材料非晶态合金
4.2 非晶态材料的制备
4.2.1 非晶态形成条件 原则上，所有的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。但实际上，要使一种材料 非晶化，还得考虑材料本身的内在因素，主要是材料的成分及各组元的化学本质。如大多数纯金 属即使在106K／s的冷速下也无法非晶化，而在目前的冷却条件下，已制成了许多非晶态合金。
为了进一步了解非晶态的结构，通常在理论上把非晶态材料中原子的排列情况模型化， 其模型归纳起来可分两大类。一类是不连续模型，如微晶模型，聚集团模型；另一类是连 续模型，如连续无规网络模型，硬球无规密堆模型等。
1．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。从微晶 模型计算得出的分布函数和衍射实验结果定性相符，但细节上(定量上)符合得并不理想。
2．拓扑无序模型
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。在这一前提下，拓扑无序模型有多种形 式，主要有无序密堆硬球模型和随机网络模型。
无序密堆硬球模型是由贝尔纳提出，用于研究液态金属的结构。贝尔纳发现无序密堆结构仅 由五种不同的多面体组成，如图4-3，称为贝尔纳多面体。
(2)由液态快速淬火获得非晶态固体，是目前应用最广泛的非晶态合金的制备方法；
(3)由结晶材料通过辐照、离子注入、冲击波等方法制得非晶态材料；用激光或电子束辐照金 属表面，可使表面局部熔化，再以4×104～5×106K／s的速度冷却，可在金属表面产生400μm厚 的非晶层。离子注入技术在材料改性及半导体工艺中应用很普通。
非晶态合金
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3.分类
研究表明，这种三元合金形成非晶态要比对应的二元合 金容易得多。
此外，IVB和VIB族金属与类金属也可以形成非晶态合 金，其中类金属元素的含量一般在15％~30％(原子百分 比)。如TiSi15~20，(W，Mo)70Si20B10， Ti50Nb35Si15，Re(铼) 65Si35，W60Ir(铱)20B20等。
无序密堆硬球模型是由贝尔纳提出，用于研究 液态金属的结构。贝尔纳发现无序密堆结构仅由五 种不同的多面体组成，如图4-3，称为贝尔纳多非晶态合金
4.非晶态合金的结构
在无序密堆硬球模型中，这些多面体作不规则 的但又是连续的堆积，该模型所得出的双体分布函 数与实验结果定性相符，但细节上也存在误差。随 机网络模型的基本出发点是保持最近原子的键长、 键角关系基本恒定，以满足化学键的要求。该模型 的径向分布函数与实验结果符合得很好。
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4.非晶态合金的结构
为了进一步了解非晶态的结构，通常在理论 上把非晶态材料中原子的排列情况模型化，其模 型归纳起来可分两大类。一类是不连续模型，如 微晶模型，聚集团模型；另一类是连续模型，如 连续无规网络模型，硬球无规密堆模型等。
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4.非晶态合金的结构
VL/V= πISU3t4/3
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5. 非晶态固体的形成规律
这时，常以VL/V=10-6为判据，若达到此值，
析出的晶体就可以检验出；若小于此值，结晶可 以忽略，形成非晶态。利用这些数据，还可以绘 制出所谓时间（Time）温度（Temperature）转
变(Transation)的所谓“三T曲线”。从而估算
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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.
晶体 非晶体 气体 晶体、非晶体、气体原子排列示意图
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）。
这类非晶态合金主要是由过渡金属与B或和P等类金属 组成的二元或三元，甚至多元的非晶态合金
二、非晶态金属的发展历史
1、非晶态金属的发展简史
非晶态合金
1934年 德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着 在玻璃冷基底上的非晶态金属膜 1959～1960年间 真正标志着非晶态金属的诞生 Duwez
1960年 提出非晶态金属合金
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。
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
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
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
井上明久 研究员
2、我国非晶态金属材料的发展现状
1976年，开始非晶态合金的研究工作。 1996年组建了非晶微晶合金工程技术研究中心，是国内 最早开发非晶纳米晶合金的单位之一。 非晶态金属的国家标准，包括28个牌号。 1982年，我国 建立非晶合金牌号，批量(50kg/次)生产宽度为50100mm的薄带并制成大功率变压器、开关变压器等铁 芯。 首次建立了原位X射线衍射研究多层膜中互扩散的新技 术，精确测量出一系列多层膜在固相反应中的互扩散 系数；发现多层膜中扩散规律及与固相反应的关系。
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
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 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。
认为非晶态材料是由“晶粒”非常细小的微晶粒组成。
（2）拓扑无序模型 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。
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。