第2节 非晶态合金(Amorphous Alloys).ppt

非晶态合金(Amorphous Alloys) 一、晶态与非晶态 晶体是指原子呈长程有序排列的固体。 非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。 具有非晶态结构的合金称为非晶态合金(或金属玻璃). 通常认为，非晶态仅存在于玻璃、聚合物等非金属领域，而传统的金属材料都是以晶态形式出现的。因此，近些年来非晶态合金的出现引起人们的极大兴趣，成为金属材料的一个新领域。 SiO2的结构 晶态和非晶态材料的X-射线衍射谱 1934年德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金。 1947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。 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。 二、非晶态合金的制备 目前可以通过熔体急冷而制成的非晶态合金已有很多种，典型的有Fe40Ni40B20、Fe77Si13B10、CoxZr1-x、Zr47Ti8Cu7.5Ni10Be27.5 (块状合金)、 Fe80B20等。 液态金属不发生结晶的最小冷却速度称作临界冷却速度RC。从理论上讲，只要冷速足够大(大于RC)，所有金属都可获得非晶态。但目前能获得的最大冷速为106℃/秒，因此临界冷速小于106℃/秒的纯金属尚无 非晶态形成条件： 玻璃化温度 过冷液体冷却到Tg温度以下，粘度达到1012Pa·s时就为非晶态。 冷却速度：利用金属和合金非晶态形成的TTT曲线或CCT曲线可估算或确定 RC：RC =(Tm-Tn)/tn（Tm为熔点，Tn 、 tn分别为C曲线鼻尖所对应的温度和时间） 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. 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 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。 2、熔体态急冷法： 目前最常用的液态急冷法是旋辊急冷法，分为单辊法和双辊法。单辊法是将试块放入石英坩埚中，在氩气保护下用高频感应加热使其熔化，再用气压将熔融金属从管底部的扁平口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，经过急冷立即形成很薄的非晶带。 单辊旋辊急冷法 非晶合金带材 离心法和单辊法由于单面接触冷却，尺寸精度和表面光洁度不理想，但产品宽度可达10mm以上，长度可达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。 3、非晶态合金块材制备方法 大块非晶合金主要是通过调整成分来获得强的非晶形成能力。其特征是： 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 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，尽量减少含氧量 大块非晶合金系 大块非晶合金的主要制备方法： ⑴熔体水淬法 将熔融合金直接水淬。 ⑵金属模铸造法 将高纯元素在氩保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。 大块非晶合金 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, Zr55Cu30Al10Ni5合金的XRD曲线 1、非晶态结构的描述方法 与晶态相比，非晶态结构是一种无序结构，但不象气体那样原子排列完全没有规则,而存在短程有序。 描述非晶态结构目前通用的方法是统计方法，即在非晶态材料中以任一原子为中心，在和它相距为r+dr的球壳中发现另一 个原子的几率为： RDF或g(r)可以在一定程度上反映非晶态结构的统计性质。比较气态、非晶态和晶态的双体相关函数可以看出，非晶态结构与液态非常接近，存在一定的短程有序，而与气态和晶态则差别显著。RDF和g(r)可