1非晶合金(héjīn)(Amorphousalloy)非晶合金的發(fā)展概況(gàikuàng)非晶合金的結(jié)構(gòu)非晶合金的形成非晶合金的性能非晶合金的應(yīng)用第一頁，共36頁。21.非晶合金(héjīn)的發(fā)展概況(1)非晶合金的概念非晶態(tài)是指物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原子呈長程無序排列的一種狀態(tài)。目前，非晶態(tài)物質(zhì)在自然界中占據(jù)了很大的比例，從傳統(tǒng)氧化物玻璃、鹵化物玻璃和硫?qū)倩衔锊Ａ?，到非晶態(tài)半導(dǎo)體，再到非晶態(tài)合金，非晶態(tài)材料已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代經(jīng)濟的一類重要工程材料。非晶合金就是這類特殊的非晶態(tài)材料，其原于排列呈短程有序而長程元序狀態(tài)，類似于普通玻璃的結(jié)構(gòu)，因而也稱為(chēnɡwéi)金屬玻璃。各種新型非晶態(tài)金屬具有優(yōu)異的力學(xué)特性(強度高、彈性好、硬度高、沖擊韌性好、耐磨性好等)，電磁學(xué)特性(優(yōu)異的軟磁性能)，高的電阻率、化學(xué)特性(穩(wěn)定性高、耐蝕性好等)，電化學(xué)特性及優(yōu)異的催化活性，已成為(chéngwéi)人類發(fā)展?jié)摿艽蟮男虏牧稀D1各種材料性能對比第二頁，共36頁。3非晶態(tài)金屬合金按組成元素的不同可分為以下兩大類：1)金屬-金屬型非晶態(tài)合金這類非晶態(tài)合金主要是含Zr，如Cu-Zr、Ni-Zr(或Pd、Ta、Ti)、Fe-Zr、Pd-Zr、Ni-Co-Zr(或Nb、Ta、Ti)、Ni(和(或)Co)-Pt等。2)金屬-類金屬型非晶態(tài)合金這類非晶態(tài)合金主要是由過渡金屬與硼和(或)磷化合物等類金屬組成的二元和三元甚至多元的非晶態(tài)合金，如Fe72Cr8P13C7、Ni40B43等。由于類金屬的加入，顯著增加了金屬形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)(jiégòu)的熱穩(wěn)定性。如少量稀土金屬的加入使Ni-P合金的熱穩(wěn)定性提高。(2)非晶合金的產(chǎn)生與發(fā)展1934年，德國人克雷默采用蒸發(fā)沉積法首先發(fā)現(xiàn)了附著在玻璃冷基底上的非晶態(tài)金屬膜。1947年，美國標準計量局的A.Brenner用電解和化學(xué)鍍法首次制備出了Ni-P非晶態(tài)金屬膜，但沒有引起重視。第三頁，共36頁。41960年，加州理工學(xué)院Duwez等采用液態(tài)金屬急冷的方法制備細晶粒合金時偶然得到了非晶態(tài)金屬。與此同時，前蘇聯(lián)的Miroshnichienco和Salli也報道了制備非晶態(tài)金屬的相似裝置和結(jié)果。金屬熔滴噴射到冷基板上，分散成薄膜從而快速凝固，這一技術(shù)又稱噴射冷卻，它可產(chǎn)生大于106K/s的冷卻速度。1969年，Pond和Maddin《關(guān)于制備一定連續(xù)長度條帶技術(shù)》的發(fā)表帶來制備非晶合金的決定性的發(fā)展。這一技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金創(chuàng)造了條件，激發(fā)了人們研究開發(fā)非晶合金的濃厚興趣。通過將液態(tài)合金急冷的方式制備亞穩(wěn)態(tài)非晶，冷卻的速率達105~106K/s，這就限制了非晶材料的厚度，只能生產(chǎn)非晶合金厚度約為幾十到幾百個微米的薄帶。而且用途也主要局限于生產(chǎn)轉(zhuǎn)換磁心和磁敏感元件。20世紀90年代，將冷卻的速率降到只有1~100K/s，才生產(chǎn)出了均勻(jūnyún)的塊狀非晶，現(xiàn)在非晶鑄塊的厚度可達到幾十厘米。但是由于數(shù)量的限制，到目前為止對塊狀非晶的研究還是比較少。第四頁，共36頁。5目前，非晶態(tài)金屬材料在制備和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了極大的進展。美、日等發(fā)達國家非晶合金的生產(chǎn)已進入大批量、商業(yè)化階段，廣泛應(yīng)用于電力、電子及其他領(lǐng)域。1976年，我國開始非晶態(tài)合金的研究工作，非晶態(tài)合金材料走過了從實驗室材料工藝研究到百噸級中間試驗的階段，如今，中國非晶態(tài)合金的科研開發(fā)和應(yīng)用能力已經(jīng)達到國際先進水平，共取得100多項科研成果和20多項專利。2000年，千噸級的非晶帶材生產(chǎn)線成功(chénggōng)噴出了220mm寬的非晶帶材(目前美國生產(chǎn)的非晶帶的最大寬度為217mm)，其表面質(zhì)量良好。我國現(xiàn)在正致力于大塊非晶合金的研究和開發(fā)，并在非晶形成的機理方面取得了長足的進步。根據(jù)相關(guān)機理，采用吸鑄法已制備出直徑達30mm的Zr基非晶合金，而對Pd–Ni-Cu-P的尺寸已達72mm。我國還制定了非晶態(tài)金屬的國家標準，包括28個牌號，初步形成系列化和標準化。第五頁，共36頁。6新型非晶態(tài)材料不斷涌現(xiàn)，如快冷鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鐵合金、鎳合金、鈷合金、快冷金屬間化合物、快冷零維材料、快冷高Tc超導(dǎo)材料等。到目前為止，我國已生產(chǎn)出大量漏電開關(guān)，用非晶合金系列制作(zhìzuò)了小功率脈沖變壓器和500kV大功率變壓器，并將非晶合金應(yīng)用到磁頭、磁放大器、磁分離、傳感器、電感器件、磁屏蔽等方面。非晶態(tài)金屬材料的發(fā)展還與納米材料的發(fā)展密切相關(guān)，通過大塊非晶合金的晶化可制備有特殊性能的全致密、顆粒小(5~10nm)、界面清潔的三維大尺寸塊狀納米金屬合金材料。第六頁，共36頁。72.非晶合金(héjīn)的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)(jiégòu)有關(guān)。在非晶態(tài)金屬中，最近鄰原子間距與晶體的差別很小，配位數(shù)也接近，但是，在次近鄰原子的關(guān)系上就有顯著的差別。而各原子之間的結(jié)合特性與晶體并無本質(zhì)的變化。(1)非晶合金的結(jié)構(gòu)特征1)短程有序和長程無序性晶體的特征是長程有序，原子在三維方向有規(guī)則地重復(fù)出現(xiàn)，呈周期性。而非晶態(tài)的原子排列無周期性，是指在長程上是無規(guī)的，但在近鄰范圍，原子的排列還是保持一定的規(guī)律。這就是所謂的短程有序和長程無序性，短程有序區(qū)應(yīng)小于(1.5±0.1)nm。這種長程無序除結(jié)構(gòu)無序外，對于(duìyú)成分來說，也是無序的，即化學(xué)無序。2)均勻性和各向同性非晶合金的均勻性也包含兩種含義：①結(jié)構(gòu)均勻它是單相無定形結(jié)構(gòu)，各向同性，不存在晶體的結(jié)構(gòu)缺陷，如晶界、孿晶、晶格缺陷、位錯、層錯等；②成分均勻無晶體那樣的異相、析出物、偏析以及其他成分起伏。第七頁，共36頁。83)均勻性和各向同性在熔化溫度(wēndù)以下，晶體與非晶體相比，晶體的自由能比非晶體的自由能低，因此非晶體處于亞穩(wěn)狀態(tài)，非晶態(tài)固體總有向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢。這種穩(wěn)定性直接關(guān)系到非晶體的壽命和應(yīng)用。(2)非晶合金的結(jié)構(gòu)模型1)硬球無規(guī)密堆模型Bernal發(fā)現(xiàn)無序密堆結(jié)構(gòu)中僅有五種不同的多面體組成，如圖2所示，其中四面體和正八面體也存在于密排晶體中。三棱柱、阿基米德反棱柱、十二面體，則是非晶態(tài)所特有的結(jié)構(gòu)單元。但是(dànshì)，沒有一種實際的非晶態(tài)合金可以看做由硬球組成，或只含有一種原子。進一步考慮兩種或更多組元及化學(xué)性質(zhì)因素，提出松弛的無規(guī)密堆結(jié)構(gòu)模型。從而可解釋非晶合金的某些性能，如彈性、振動、某些合金的磁性等問題。圖2非晶態(tài)的五種結(jié)構(gòu)a)四面體;b)正八面體;c)三棱柱;d)阿基米德反棱柱;e)十二面體第八頁，共36頁。92)微晶模型非晶態(tài)材料是由晶粒非常細小的微晶組成，大小為十幾至幾十埃（幾個至十幾個原子間距），如圖3所示。這樣晶粒內(nèi)的短程有序與晶體的完全相同，而長程無序是各晶粒的取向雜亂分布的結(jié)果。這種模型的優(yōu)點是可以定性說明非晶態(tài)衍射試驗的結(jié)果，比較簡單，有通用性，但是從這種模型計算得到的徑向分布函數(shù)或雙體關(guān)聯(lián)函數(shù)與實驗難以定量符合，而且晶粒間界處的原子分布情況不清楚。當晶粒非常微小時，晶界處原子數(shù)與晶粒內(nèi)原子數(shù)可能有相同的數(shù)量級，不考慮晶界上原子的分布情況是不合理的。圖3非晶態(tài)的微晶模型3)拓撲無序模型這類模型認為非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂(hùnluàn)和無序，即原子間的距離和各對原子間的夾角都沒有明顯的規(guī)律性，如圖4所示。這類模型強調(diào)的是無序，把非晶中實際存在的短程有序第九頁，共36頁。10看做是無規(guī)律堆積中附帶產(chǎn)生的結(jié)果。由于非晶態(tài)有接近晶態(tài)的密度，這種無規(guī)律不是絕對的，因其未包含短程有序。但從拓撲無序模型得到的結(jié)果基本上與實驗一致，所以，可把拓撲無序模型當作絕對零度下的非晶態(tài)理想的模擬。圖4拓撲無序模型(3)非晶合金的結(jié)構(gòu)變化Tg稱為非晶的玻璃化溫度，高溫相冷卻到此溫度，從過冷液體到非晶玻璃轉(zhuǎn)變，此轉(zhuǎn)變有比熱容突變，體積和嫡無突變，故是二級相變。Tx稱晶化溫度，Tx>Tg，在此溫度下非晶開始向晶體轉(zhuǎn)變，是一級相變。1)低溫弛豫T＜Tg非晶態(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)，可看作是深度過冷的液體。在室溫下，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)(zhuàngtài)，低溫下退火，發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫，系統(tǒng)自由能下降，材料趨于穩(wěn)定。在Tg溫度下面，材料的非晶態(tài)特征并不改變，但由于非晶態(tài)原子間的堆積處于不穩(wěn)定，原子間位置會發(fā)生第十頁，共36頁。11調(diào)整，以降低系統(tǒng)的自由能，這稱為低溫弛豫。非晶合金在低溫弛豫階段的擴散系數(shù)D遠遠大于溫度高于Tg的擴散系數(shù)Dn；電阻率隨溫度升高而增大；彈性模量增加。此過程也會影響非晶的性能，如Tb（鋱）Fe2薄膜，可通過此法，使磁矯頑力從8×103A/m增加至3×105A/m。2)晶化T>Tg在適當條件下，會發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，向穩(wěn)定的晶態(tài)過渡，稱晶化。有些晶化過程會出現(xiàn)另一些新的未知亞穩(wěn)相和一系列過飽和的固溶體，此時其穩(wěn)定性比非晶要好，會改善某些(mǒuxiē)性能。如鐵基、鎳基、鈷基非晶在剛達晶化溫度時，可獲得高強度的微晶。第十一頁，共36頁。123.非晶合金(héjīn)的形成(1)非晶合金的形成1)非晶合金的制備方法獲得非晶的關(guān)鍵問題是要有足夠快的冷卻速度，冷卻到Tg溫度以下。由汽相直接凝聚真空(zhēnkōng)約10-8Pa蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉淀(CVD)等。蒸發(fā)和濺射可超過108K/s冷卻速度，因此可用于制備許多液態(tài)急冷方法無法實現(xiàn)的非晶。如純金屬、半導(dǎo)體等非晶。但非晶的生長速率很低，一般只用來制備薄膜。離子濺射沉積的速率一般為1~10nm/s，比蒸發(fā)高一個數(shù)量級，最近達到1μm/min，可制作厚膜?；瘜W(xué)氣相沉積是將反應(yīng)氣體通過加熱的襯底，反應(yīng)的生成物在襯底上沉淀，只適用于Tx晶化溫度高的半導(dǎo)體材料。液體急冷法目前驟冷法仍是最主要的方法，其基本原理是先將合金加熱熔融成液態(tài)，然后通過各種不同的途徑使它們以105~108K/s的高速冷卻，致使液態(tài)金屬的無序結(jié)構(gòu)得以保存下來而形成非晶態(tài)，樣品第十二頁，共36頁。13依制備過程不同呈幾微米至幾十微米厚的簿片、薄帶或細絲。熔融母合金的冷卻速率決定了所得合金樣品的非晶化程度。通過調(diào)節(jié)銅輥轉(zhuǎn)速，隨著冷卻速率的增加，合金逐漸由晶態(tài)向非晶態(tài)過渡，當達到一定冷卻速率時，得到完全的非晶態(tài)金屬合金。采用此法制備的非晶態(tài)合金通常具有高強度、高硬度、高耐蝕件和其他優(yōu)異的電磁性能。由晶體制備通過幅照、離子注入、沖擊波等方法制備。高能注入的粒子，與被注入的材料的原子核及電子碰撞時，發(fā)生(fāshēng)能量損失，因此離子注入有一定的射程，只能得到薄層的非晶。激光或電子束的能量密度較高(100kw/cm2)，可使幅照表面局部熔化，并以4×l04~5×106K/s的冷卻速率，如對Pd91.7Cu4.2Si5.1合金，可在表面產(chǎn)生400μm厚的非晶層。第十三頁，共36頁。14(2)非晶合金的形成條件1)Tg溫度稱玻璃化溫度，一般定義過冷液體冷卻到Tg溫度以下，它的粘度達到1012Pa·s時就為非晶態(tài)。不同的冷卻速度，會有不同的非晶結(jié)構(gòu)，因此Tg本身(běnshēn)與冷卻速度有關(guān)。△Tg=Tm-Tg(Tm為熔點)，△Tg越小，獲得非晶的幾率越高。2)臨界冷卻速度理論上從結(jié)構(gòu)和動力學(xué)兩方面，可以對臨界冷卻速度作出預(yù)測性的估計：液體淬火的冷卻速度應(yīng)在1012K/s，但在實際上無法達到，因此對純金屬和少量溶質(zhì)原子的稀合金只能用氣相沉積。3)合金化通過加入溶質(zhì)原子，特別是這些溶質(zhì)原子和基體原子的尺寸和電負性差別較大時，一方面使Tm下降，另一方面使Tg上升，△Tg=Tm-Tg變小，有利于非晶形成。也可以用一個約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg=Tg/Tm來分析。隨著合金元素含量的增加，液相線下降，并出現(xiàn)深共晶，大多有利于非晶形成。第十四頁，共36頁。15合金各組元的尺寸相差(xiānɡchà)大，一般原子尺寸差10％~20％的系統(tǒng)，形成非晶的范圍都比較寬，形成非晶容易。原子間的電負性差越大，交互作用越強并可導(dǎo)致形成金屬間化合物。金屬和類金屬原子間的交互作用很強，故非晶合金中常包含有類金屬元素。(3)非晶態(tài)合金系1)過渡金屬-類金屬系(TL-M系)后過渡金屬元素包括周期表中ⅦB族元素和Ⅶ族元素及ⅠB族貴金屬。這類合金的典型例子有Pd80Si20、Ni80P20、Au75Si25、Fe80B20、Pt75P25等。其中類金屬元素的摩爾分數(shù)在13％~25%，處于深共晶范圍。另有一些非晶態(tài)合金的類金屬元素含量可在較大范圍內(nèi)變化，如Ni-B31~41，Co-B17~41，Pt-Sb(銻)34~36.5。在二元合金的基礎(chǔ)上加入一種或多種金屬或過渡金屬元素替代(tìdài)部分基體金屬，可使非晶形成范圍加寬，如Pd78Cu6Si16、Pd40Ni40P20。在Ni92Si8中加入硼，Ni92-xSi8Bx，x可在10~39范圍內(nèi)變化，如實用意義很大的Fe-Si-B非晶合金。第十五頁，共36頁。16后來發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)，ⅣB和ⅥB族的前過渡金屬-類金屬(摩爾分數(shù)15％~30%)系(TE-M系)，位于共晶點附近合金也可形成非晶。這類合金的共晶溫度比TL-M系高，范圍也比較窄，但加入第二種前過渡金屬，可使非晶態(tài)形成范圍擴大，如Ti5Nb35Si15、W60lr(銥)20B23金屬。2)TE-TL(IB)系前過渡金屬的熔點較高，加入后過渡金屬或IB族后使熔點急劇下降，達深共晶，并出現(xiàn)多種金屬間化合物，非晶態(tài)的成分范圍也較寬，如Cu-Ti35~70、Ni-Zr60~80、Nb-Ni40~66。有的在低濃度區(qū)有一窄的非晶形成范圍，如Co-Zr9~16、Fe-Zr9~11，是很有用的軟磁材料。鑭系稀土金屬和后過渡金屬二元系(Re-TL系)共晶溫度也很低，也可獲得非晶，其中大多是富稀土合金，如LaAu18~26、La78Ni22、Gd-Fe32~50、Er68Fe32、Gd-Co40~50等。3)錒系金屬系以釷、鈾、镎、钚等錒系金屬為基的低共晶溫度的非晶態(tài)合金，如U-Co24~40、Np-Ga30~40、Pu-Ni12~80等。第十六頁，共36頁。174.非晶合金(héjīn)的性能(1)力學(xué)性能1)高強度和高韌性非晶態(tài)合金(héjīn)具有極高的斷裂強度和屈服強度，并兼?zhèn)淞己玫乃苄?。從?所列的一些典型非晶態(tài)合金(héjīn)的強度和硬度可見，鐵基和鈷基非晶合金(héjīn)的維氏硬度可達980以上，抗拉強度可達4000MPa以上，這比目前高強度鋼還要高出許多。表1中列出的抗拉強度和彈性模量E的比值約為1/50，比金屬材料的理論值(1/20)低一倍，而比現(xiàn)在金屬材料達到的實際值(1/500)高一個數(shù)量級。非晶合金(héjīn)的HV/σb值為0.25~0.35，接近于無加工硬化材料的0.30。Fe80B20非晶合金(héjīn)的屈服強度可達3.6GPa，而碳纖維絲的屈服強度也只有3.3~3.5Gpa。非晶合金(héjīn)的伸長率僅1%，但其變形能力很高。如Pd77.5Cu6Si16.5合金(héjīn)的伸長率為0.3％但其壓縮率可達40%，可冷軋，無加工硬化，總壓縮量可達50%而不產(chǎn)生裂縫。可見，非晶合金(héjīn)的強度大大高于金屬，而伸長率卻勝過玻璃。第十七頁，共36頁。18非晶合金硬度(HV)抗拉強度σb/MPa彈性模量E/MPaσb/EHV/σbFe80P20700----Fe80B20108034001.7×1050.0200.32Fe90Zr106402160--0.30Fe80P13C776030401.2×1050.0250.25Fe78B10Si1291033001.2×1050.0280.25Fe62Cr12Mo8C189003200--0.28Fe62Mo20C169703800--0.26Fe46Cr16Mo20C1811303900--0.29Co90Zr106001860--0.29Co78Si10B1291030000.9×1050.0340.30Co56Cr26C188903230--0.28Co44Mo36C2011903800--0.31Co34Cr28Mo20C1814004020--0.35Ni90Zr105501760--0.31Ni78Si10B1286024500.8×1050.0310.35Ni34Cr20Mo28C1810603430--0.31Pd80Si2032513300.7×1050.0200.24Cu80Zr204101860--0.22Nb50Ni50893-1.3×105--Ti50Cu50610-1.0×105--表1一些典型(diǎnxíng)非晶態(tài)合金的硬度和強度第十八頁，共36頁。19非晶合金的疲勞強度同樣很高，在107周循環(huán)下，F(xiàn)e-Ni基非晶合金為650~900MPa，鈷基非晶合金則可達1200MPa。非晶態(tài)合金中的提高非晶態(tài)形成能力的類金屬元素M(硼、碳、硅、磷、鍺)按周期表中的周期數(shù)和族數(shù)的增加(zēngjiā)，形成非晶的硬度下降。其他合金元素替代鐵來看，如在Fe-PC合金中加入的合金元素原子序數(shù)大于鐵的(鈷、鎳)使硬度下降，小于鐵的(釩、鉻、錳)硬度提高。同樣對于周期表中族數(shù)低于鎳(鐵、釩、鉻、錳、鐵、鈷)的元素替代鎳使非晶強度增加(zēngjiā)，而用原子序數(shù)高于鎳的銅替代，強度則下降。非晶Fe80Si13C7的斷裂韌度很高1.1×107J/cm2,Pd80Si20為0.4×107J/cm2，Cu57Er43為0.6×107J/cm2，而玻璃是102J/cm2，復(fù)合材料105J/cm2，鋼及鋁合金106J/cm2。2)艾林瓦(Elinvar)特性材料(cáiliào)在一定溫度范圍內(nèi)，彈性模量隨溫度的變化極小。晶態(tài)的Ni36Cr12Fe52用于制造精密儀器中的彈簧等。許多非第十九頁，共36頁。20晶態(tài)鐵基合金由于大的自發(fā)體積磁致伸縮導(dǎo)致其彈性模量的變化，形成△E效應(yīng)，即艾林瓦特性。使其在室溫附近，彈性模量和剪切彈性模量不隨溫度而變化。圖5是彈性模量和溫度的關(guān)系圖，可以看出，F(xiàn)e79B21、Fe80B20、Fe82B18、Fe83B17、Fe85B15、Fe86B14合金在Tc溫度下，E幾乎不隨溫度變化，硼摩爾分數(shù)為15％~18％的合金，E的溫度系數(shù)幾乎為零。圖5彈性模量和溫度的關(guān)系由于非晶合金的制造條件，適當(shìdàng)地調(diào)整輥的轉(zhuǎn)速，即使是非鐵磁性合金，如Pd-Si系，也能得到艾林瓦特性。由于非晶合金的亞穩(wěn)性質(zhì)，其彈性模量△E＝E0-ET隨時間不斷下降，相當長時間后達到穩(wěn)定(未老化)。第二十頁，共36頁。21(2)熱學(xué)性能1)熱穩(wěn)定性非晶合金的居里點Tc和晶化溫度Tx低時，穩(wěn)定性就差。通過成分調(diào)節(jié)，可提高非晶熱穩(wěn)定性。如在Co-Fe-Si-B非晶中，添加鎳、鈮、鉻、鉬、鍺、鎢、錫、鈦、鋯、釩、鉭等元素可提高熱穩(wěn)定性，其中(qízhōng)(Co0.93Fe0.07)75-xCrxSi15B10非晶由于鉻的加入而顯著提高熱穩(wěn)定性。2)因瓦(Invar)效應(yīng)指在一定的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)極微的效應(yīng)。晶態(tài)的wNi=36％的鐵鎳合金，用于制造標準量具、鐘、表、天平等精密儀器的部件。但晶態(tài)的因瓦合金在低溫時發(fā)生相變而不能使用。而非晶態(tài)的Fe-B基因瓦合金從-195~300℃溫區(qū)其膨系數(shù)α在-8×10-6/℃~8×10-6/℃之間，在室溫α值達10-7/℃。非晶態(tài)的Fe-Ni-Zr、Fe-Co-Zr合金的抗拉強度為2500MPa，比晶態(tài)的450MPa要高許多。一些三元的非晶態(tài)合金如Fe80P13C7、Fe85.5P7.5C7、Fe79Si10B11等，在低于居里溫度時有很大的負溫度系數(shù)，通過成分的調(diào)整，可獲得膨脹系數(shù)等于零的非晶態(tài)因瓦合金。第二十一頁，共36頁。22(3)電學(xué)性能1)電阻率非晶態(tài)合金在室溫下的電阻率約為50~350×10-8Ωm，比晶態(tài)大二倍。電阻率溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小，并常常是負值。2)低溫區(qū)電阻率出現(xiàn)極小ρ隨T的變化分成三個階段，在溫度20K附近有一極小。極小值的溫度與合金元素有關(guān)(yǒuguān)，與居里溫度不存在關(guān)系。(4)磁學(xué)性能1)軟磁性非晶態(tài)合金由于它是無序結(jié)構(gòu)，不存在磁晶各向異性，而且無位錯、晶界等結(jié)構(gòu)缺陷，故磁導(dǎo)率、飽和磁感高，矯頑力、損耗(sǔnhào)小，具有軟磁性特性。目前，非晶態(tài)軟磁合金可分為兩大類，即具有高飽和磁感應(yīng)值的鐵基非晶態(tài)合金和具有高磁導(dǎo)率特性的鈷基非晶態(tài)合金。高磁感應(yīng)非晶合金(héjīn)由Fe80B20發(fā)展而來，如Fe-B-C和Fe-B-Si是兩種典型的高磁感應(yīng)非品合金(héjīn)?？蛇m當?shù)丶尤肷倭康拟捇蜴?，或進行適當?shù)诙?，?6頁。23的退火處理。磁感應(yīng)Bs是現(xiàn)有非晶態(tài)合金中最高的，可達1.7~1.75T。其軟磁特性比Fe-3Si晶體軟磁合金優(yōu)越，但磁致伸縮系數(shù)較大(λ≈30×10-6)。圖6是典型的非晶合金Fe81B13.5Si3.5C2與晶態(tài)0.3mm硅鋼Fe-3Si合金的磁滯回線的比較，其矯頑力和損耗都比Fe-3Si小。Fe-Ni基合金中的鐵和鎳含量大致相等，Bs=0.7~1.0T，屬于中等水平。加入鎳后可以大大提高非晶形成能力，提高韌性，同時將磁致伸縮系數(shù)降至10×l0-6。加入類金屬元素硅、硼，并加人少量的鉬可以得到最佳的軟磁性能。圖6Fe81B13.5Si3.5C2與Fe-3Si磁致回線高磁導(dǎo)率非晶合全以鐵、鈷為主的非晶磁性合金是一種(yīzhǒnɡ)高磁導(dǎo)率的軟磁合金，主要用于信息處理器件，如作磁頭材料。晶體材料的磁各向異性使磁導(dǎo)率下降，矯頑力增加，磁滯損失增加，而非晶材料無磁第二十三頁，共36頁。24各向異性。非晶態(tài)合金的電阻率高，有利于降低渦流損失；另外，非晶態(tài)合金硬度高，耐磨性也高，耐蝕性也好(yěhǎo)，易獲得薄帶，減少高頻下的渦流損失，因此，非晶態(tài)磁頭材料具有良好的綜合性能。為獲得高磁導(dǎo)率非晶合金，通過調(diào)整成分，使磁致伸縮系數(shù)λ≈0，使Tc＜Tx。Co-Zr系和Co-TM-B(TM-過渡金屬)系，兩種非晶態(tài)合金，其磁致伸縮系數(shù)接近于零，特性軟，而且晶化溫度高。表2是鈷基非晶合金的磁性能列舉。2)磁致伸縮非晶合金的磁致伸縮可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，和合金的成分及熱處理工藝有關(guān)。Co78Si8B14的磁致伸縮系數(shù)是負的，λs=-4×10-6，而(Fe5Co95)78Si8B4成分附近λs＝0，(Fe95Co5)78Si8B4合金的磁致伸縮最大λs=44×10-6，和金屬鎳的λs相當。在不含鈷的合金系中，λs隨鎳含量的增加而減小，在(Fe20Ni80)78Si8B14附近λs=0。(FeCoNi)-(SiB)系合金的磁致伸縮與溫度(wēndù)有關(guān)，含鐵量高的合金，λs隨溫度(wēndù)的上升單調(diào)下降，而含鈷和含鎳高的合金，λs的變化顯得比較第二十四頁，共36頁。25復(fù)雜(fùzá)。采用不同的熱處理工藝，λs會出現(xiàn)明顯的變化，如Fe100-xBx合金，x＝12時，λs＝34×10-6，經(jīng)300℃3h熱處理，λs可達到49×10-6。合金B(yǎng)s/THc/(A/m)μe(1kHz,0.8A/m)Tx/℃Tc/℃Co83.5W6Zr10.50.720.88800578453Co79Cr10.6Zr10.40.670.814000540433Co77Cr11.7Zr11.30.540.634800549360Co80.4V9.8Zr9.80.770.612600520-Co81.5Mo9.5Zr9.00.730.26800526576Co78Mo9B2Zr110.620.820000565361Co80Mo6.5B2Zr8.50.750.63400(起始磁導(dǎo)率)588568Co80Mo6.5B5Zr8.50.770.82000(起始磁導(dǎo)率)508>600Co80Ni10Si2Zr81.001.6-500>700Co84Cr7B1Zr81.000.82000(起始磁導(dǎo)率)580>700Co68Mn10B221.000.426000452613Co70Mn10B240.950.528000466434Co68Mn8B240.890.340000513323Co76Ti18B60.651.412000485413Co74Zr12B140.692.610000616428Co76Zr12B120.741.911000605450Co76Hf12B120.761.812400600458表2Co-Zr和Co-TM-B系非晶合金(héjīn)的磁性能第二十五頁，共36頁。26(5)化學(xué)性能1)耐蝕性結(jié)構(gòu)的長程無序，無晶界，快速冷卻，無偏析和夾雜，使非晶具有良好的抗局部腐蝕能力。但這類非晶合金中必須加入鉻，含wCr=10％的非晶態(tài)鐵基合金在濃鹽酸(yánsuān)的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼（不銹鋼有嚴重的點腐蝕）。含7％~9%(摩爾分數(shù))鉻的鎳基非晶晶態(tài)合金Ni72Cr8P15B5在60℃的wFeCl6H2O=10％溶液中，不顯示腐蝕，而不銹鋼卻產(chǎn)生點腐蝕。對Fe-Cr合金，則需wCr=30％才可在上述溶液中不產(chǎn)生腐蝕。金屬-類金屬非晶態(tài)合金的抗蝕性依賴于合金中的主金屬元素、添加金屬元素、類金屬元素的性質(zhì)。無第二、第三添加金屬時，合金的腐蝕速度是按鐵基、鈷基、鎳基非晶態(tài)金屬的順序減少，當添加適量的第二、第三金屬元素時，這些非晶態(tài)金屬的抗蝕性將大大改善。改善其抗蝕性的最佳第二添加金屬是鉻，第三添加金屬元素是鉬，類金屬元素是磷。當鉻、鉬、磷同時存在于金屬-類金屬非晶態(tài)合金中時，合金的腐蝕速度按鐵基、鈷基、鎳基的順序增加。第二十六頁，共36頁。272)催化性能非晶態(tài)金屬表面能高，可以連續(xù)改變成分，具有明顯的催化性能。作為催化劑被應(yīng)用始于20世紀80年代。非晶態(tài)金屬催化劑主要應(yīng)用于催化劑加氫、催化脫氫、催化氧化及電催化反應(yīng)等。觸媒劑在化學(xué)工業(yè)中具有相當重要的地位，高效率的觸媒劑對化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高、能源的節(jié)約以及新化工產(chǎn)品的產(chǎn)生起著重要的作用。不同的化學(xué)反應(yīng)要求特定的觸媒劑，非晶態(tài)合金具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)異觸媒性能。3)貯氫性能非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的貯氫性能。某些非晶態(tài)金屬通過化學(xué)反應(yīng)可以吸收和釋放出氫，可以用作貯氫材料。一些非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的貯氫性能，貯氫后非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)也相當穩(wěn)定，但原子間距膨脹。有些非晶態(tài)金屬由于吸氫后轉(zhuǎn)變成為晶態(tài)，這是由于氫化物形成是放熱反應(yīng)，非晶合金吸氫時，由于發(fā)熱而升溫產(chǎn)生晶化。非晶態(tài)金屬的吸氫量是隨氫原子能占據(jù)的場所的數(shù)目以及易產(chǎn)生氫化物的元素含量的增加而增加。根據(jù)(gēnjù)這個道理，若在氫原子能占據(jù)的場所填入了類金屬元素的原子，那么將不能貯氫。如在TiNi合金中添加硼、硅時，吸氫量減少。第二十七頁，共36頁。28(6)光學(xué)性能金屬材料的光學(xué)特性(tèxìng)受其金屬原子的電子狀態(tài)所支配，某些非晶態(tài)金屬由于其特殊的電子狀態(tài)而其有十分優(yōu)異的對太陽光能的吸收能力。所以利用某些非晶態(tài)材料能夠制造出相當理想的高效率的太陽能吸收器。非晶態(tài)金屬具有良好的抗輻射（中子、γ射線等）能力，使其在火箭、宇航、核反應(yīng)堆、受控熱核反應(yīng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。第二十八頁，共36頁。295.非晶合金(héjīn)的應(yīng)用(1)軟磁鐵心利用非晶合金的軟磁特性可以在許多需使用軟磁的器件中代替(dàitì)原來的晶態(tài)軟磁材料。如配電變壓器，每天24小時長期運作，要求高磁感，低損耗。非晶合金的鐵損只有硅鋼的1/10~1/5，激磁電流僅為硅鋼片的1/12~1/8，總能量損耗可減少40％~60％。用非晶Fe80B20和硅鋼制作的變壓器性能比較見表2。激磁電流和空載損耗大大降低效率明顯提高。材料芯損/W負載損耗/W效率(％)銅溫升/℃激磁電流(％)總重/Kg油/L空氣中鐵心溫升/℃硅鋼<58170>97.3<55<3.0952334Fe80B2011.817298.2390.15115224表2Fe80B20和硅鋼制作的10kVA變壓器性能(xìngnéng)比較由于非晶的Bs比硅鋼低15％，這將使變壓器重量要增加30%，體積也要增加，可在設(shè)計時降低工作磁感來補救。對于非晶的晶化問題，按計算Fe80B20非晶合金在175℃，需500年晶化，在200℃也需25年，完全第二十九頁，共36頁。30可滿足(mǎnzú)變壓器在120℃使用25年的設(shè)計要求。磁致伸縮引起噪聲，可以用替代合金元素和熱處理方法使其調(diào)整到零。脈沖變壓器常用于微波、電視信號和自動控制設(shè)備中。要求較小的漏感和分布電容，鐵心以往使用晶態(tài)的坡莫合金(Permallo)或鐵氧體材料制造。根據(jù)感生各向異性理淪進行熱處理，可得到性能優(yōu)異的非晶材料，其脈沖性能超過同種晶態(tài)材料的十倍。用非晶態(tài)合金條帶制造磁滯電機的轉(zhuǎn)子或電動機定子的鐵心也是可考慮的研究方向。(2)磁頭磁頭是磁記錄系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，如錄音、錄像、計算機中磁頭。要求高磁導(dǎo)率，高磁感，良好的熱穩(wěn)定性，耐磨性和耐蝕性。由于技術(shù)的發(fā)展，對磁頭的要求日益提高，原來的常規(guī)材料坡莫合金，鐵磁鋁磁合金，鐵氧體等都不能滿足(mǎnzú)新型磁頭的要求。第三十頁，共36頁。31目前磁頭的非晶合金如(Co0.90Fe0.06Ni0.02Nb0.02)78Si22-xBx，其磁導(dǎo)率可達22×105，坡莫合金的最高值為10×105；非晶合金的硬度(HV900)遠高于Fe-Si-Al(HV500)和坡莫合金(HV200~300)；耐磨性極好，與Fe-Si-Al相當，磨耗量約為坡莫合金的1/10。由于錄放同用一個磁頭，則要求磁頭合金要兼顧高磁導(dǎo)率的同時，具有高磁感。(3)開關(guān)電源和磁放大器不同的開關(guān)要求不同的磁滯回線，當鐵心的飽和磁化強度正負(zhènɡfù)變化時，需要同時具有低的動態(tài)矯頑力和磁損耗的方形回線材料。開關(guān)型電源正向100kHz的頻率范圍發(fā)展，細晶粒各向同性結(jié)構(gòu)、小損耗需要0.03~0.015mm薄帶。以Fe40Ni40為基的非晶態(tài)合金有高的感生各向同性，極平的磁滯回線(Br/Bl≈0.01)，Bs≈0.77T。使用溫度達120℃，在100kHz損耗低于標準的MnZn鐵氧體。要求方形磁滯回線的磁放大器鐵心，以往使用坡莫合金。鈷基非晶低磁致伸縮合金經(jīng)縱向磁場的磁場退火處理可以得到方形回線，使用頻率可超過100kH，溫度可達80℃。第三十一頁，共36頁。32(4)熱敏器件熱敏磁性材料的磁性對溫度敏感，居里溫度較低并接近于工作溫度。這類材料多數(shù)是軟磁材料，故一般磁導(dǎo)率較高，矯頑力較低。通常要求飽和磁感應(yīng)強度(qiángdù)Bm的溫度系數(shù)大，居里溫度低，接近于工作和環(huán)境溫度，比熱容小，散熱或吸熱快，易加工。晶態(tài)有NiCu、NiCr等合金，熱敏鐵氧體有MnZn、NiZn、MnCu等。但其飽和磁感強度(qiángdù)低，在居里溫度附近的磁導(dǎo)率變化較小，熱導(dǎo)率低，熱響應(yīng)遲緩。(T1-aCra)100-zXz(T=Fe或Co，X=P或B或Si，至少一種)。當0.05≤a≤0.20、15≤z≤30時的非晶合金具有優(yōu)異的熱敏特性