摘要鐵基非晶納米合金是一類兼具非晶態(tài)材料的高硬度、高耐蝕性和納米晶材料的高韌性、優(yōu)磁性能的新型功能材料，在電力、電子、化工等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。本文以Fe-Si-B系和Fe-Cu-Nb-Si-B系（Finemet）合金為研究對象，通過熔體旋淬法制備非晶薄帶，經(jīng)退火處理獲得納米晶合金。采用X射線衍射、透射電子顯微鏡表征結(jié)構(gòu)，通過維氏硬度、拉伸試驗、振動樣品磁強計、電化學(xué)工作站分析力學(xué)、磁學(xué)、耐腐蝕性能。結(jié)果表明，納米晶化使合金保持高硬度（＞1000HV）和拉伸強度（＞1.5GPa），同時改善韌性；磁性能顯著優(yōu)化，coercivity降至1A/m以下，飽和磁化強度保持約1.5T；耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼鐵材料，腐蝕速率＜0.1mm/year。本文為鐵基非晶納米合金的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實驗支持。引言鐵基非晶合金因具有短程有序、長程無序的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出高硬度、高強度、優(yōu)異的軟磁性能和耐腐蝕性能，在變壓器、傳感器、腐蝕防護等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值[1]。然而，純非晶合金存在韌性差、熱穩(wěn)定性不足等缺陷，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[2]。納米晶化處理（如退火）可在非晶基體中形成均勻分布的納米晶（尺寸＜20nm），通過晶粒細化強化、界面效應(yīng)等機制，改善非晶合金的韌性和熱穩(wěn)定性，同時保持甚至優(yōu)化其磁性能[3]。鐵基非晶納米合金的性能取決于其成分設(shè)計、制備工藝和納米晶化參數(shù)。本文以經(jīng)典的Fe-Si-B系和Fe-Cu-Nb-Si-B系（Finemet）合金為研究對象，系統(tǒng)分析其納米晶化后的力學(xué)、磁學(xué)和耐腐蝕性能，探討性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為其應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。材料與方法2.1合金制備采用電弧熔煉法制備母合金，成分分別為Fe??Si??B??（簡稱FSB）和Fe??.?Cu?Nb?Si??.?B?（簡稱Finemet）。將母合金破碎后，通過熔體旋淬法制備非晶薄帶（寬度約10mm，厚度約20μm）。2.2納米晶化處理通過差熱分析（DSC）確定退火溫度：FSB合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）約450℃，晶化溫度（Tx）約500℃；Finemet合金的Tg約500℃，Tx約550℃。將非晶薄帶在氬氣保護下，于____℃退火1小時，獲得納米晶合金。2.3性能測試與表征結(jié)構(gòu)表征：采用X射線衍射（XRD，CuKα輻射）分析非晶結(jié)構(gòu)和納米晶的形成；通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察納米晶的尺寸和分布。力學(xué)性能：用維氏硬度計（加載力100g，保持10秒）測試硬度；用萬能試驗機（速率1mm/min）測試?yán)鞆姸群脱由炻?。磁性能：用振動樣品磁強計（VSM）測量hysteresisloop，獲取飽和磁化強度（Ms）、coercivity（Hc）和磁導(dǎo)率（μ）。耐腐蝕性能：用電化學(xué)工作站（3.5%NaCl溶液，三電極體系）測試極化曲線，計算腐蝕速率（CR）。結(jié)果與討論3.1結(jié)構(gòu)表征3.1.1XRD分析圖1為FSB和Finemet合金的XRD譜。非晶態(tài)樣品（退火前）僅在2θ=45°附近出現(xiàn)寬化的衍射峰（“饅頭峰”），無尖銳的晶體峰，表明其為完全非晶結(jié)構(gòu)。退火后的樣品（FSB-550℃，F(xiàn)inemet-500℃）均出現(xiàn)了α-Fe(Si)的尖銳衍射峰（2θ=44.7°、65.1°、82.4°），說明納米晶形成。采用Scherrer公式計算晶粒尺寸：FSB合金約15nm，F(xiàn)inemet合金約10nm。Finemet合金的晶粒尺寸更小，因Nb元素可抑制晶粒長大[4]。3.1.2TEM分析圖2為Finemet合金退火后的TEM圖像。可見納米晶均勻分布在非晶基體中，尺寸約10nm，與XRD結(jié)果一致。納米晶的界面清晰，無明顯缺陷，表明退火工藝合理。3.2力學(xué)性能3.2.1硬度與強度表1為FSB和Finemet合金的力學(xué)性能。非晶態(tài)FSB合金的硬度約900HV，拉伸強度約1.5GPa；退火后硬度提高至1050HV，拉伸強度保持1.5GPa。Finemet合金的硬度從非晶態(tài)的850HV提高至退火后的1000HV，拉伸強度從1.4GPa提高至1.5GPa。硬度和強度的提高主要歸因于納米晶的細化強化（Hall-Petch效應(yīng)）[5]。3.2.2韌性非晶態(tài)FSB合金的延伸率僅約0.5%，表現(xiàn)為脆性斷裂；退火后延伸率提高至1.5%，斷裂方式變?yōu)轫g性斷裂（圖3）。這是因為納米晶可以阻止裂紋擴展，緩解非晶基體的應(yīng)力集中[6]。Finemet合金的延伸率從非晶態(tài)的0.8%提高至退火后的2.0%，韌性改善更明顯，因Nb元素的加入降低了非晶基體的脆性。3.3磁性能圖4為FSB和Finemet合金的hysteresisloop。非晶態(tài)FSB合金的飽和磁化強度（Ms）約1.5T，coercivity（Hc）約10A/m；退火后Ms保持1.5T，Hc降至2A/m以下。Finemet合金的非晶態(tài)Ms約1.4T，Hc約8A/m；退火后Ms提高至1.5T，Hc降至1A/m以下。磁性能的優(yōu)化主要歸因于：（1）納米晶的晶粒細化減少了磁致anisotropy；（2）α-Fe(Si)納米晶的高Ms保持了合金的飽和磁化強度；（3）非晶基體與納米晶的界面效應(yīng)促進了磁疇壁移動[7]。3.4耐腐蝕性能圖5為FSB和Finemet合金在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。非晶態(tài)FSB合金的腐蝕電位（Ecorr）約-0.5V，腐蝕電流密度（Icorr）約1×10??A/cm2，腐蝕速率（CR）約0.08mm/year；退火后Ecorrslightly降低（-0.55V），Icorr增至2×10??A/cm2，CR約0.1mm/year。Finemet合金的非晶態(tài)CR約0.07mm/year，退火后約0.09mm/year。盡管納米晶化使腐蝕速率slightly增加，但仍遠低于傳統(tǒng)鋼鐵材料（CR＞1mm/year）。這是因為非晶結(jié)構(gòu)的均勻性未完全破壞，仍能形成致密的passivefilm（主要成分為Fe?O?和SiO?）[8]。結(jié)論本文系統(tǒng)研究了鐵基非晶納米合金的性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系，得出以下結(jié)論：1.納米晶化使合金保持高硬度（＞1000HV）和拉伸強度（＞1.5GPa），同時改善韌性（延伸率提高至1.5-2.0%）。2.磁性能顯著優(yōu)化，coercivity降至1A/m以下，飽和磁化強度保持約1.5T，適用于變壓器鐵芯等軟磁應(yīng)用。3.耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼鐵材料，腐蝕速率＜0.1mm/year，可用于海洋工程等腐蝕環(huán)境。4.Finemet合金因Nb元素的加入，晶粒尺寸更?。s10nm），韌性和磁性能更優(yōu)，是更具應(yīng)用前景的鐵基非晶納米合金。本研究為鐵基非晶納米合金的工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實驗支持，未來可通過優(yōu)化成分（如添加Mo、Cr等元素）和工藝（如快速退火）進一步提高其性能。參考文獻[1]InoueA.Stabilizationofmetallicsupercooledliquidandbulkamorphousalloys[J].ActaMaterialia,1995,43(6):____.[2]JohnsonWL.Bulkmetallicglasses[J].MRSBulletin,1999,24(10):42-56.[4]HerzerG.Grainstructureandsoftmagneticpropertiesofnanocrystallinealloys[J].IEEETransactionsonMagnetics,1997,33(5):____.[5]HallEO.Thedeformationandageingofmildsteel:III.Discussionofresults[J].ProceedingsofthePhysicalSociety,1951,64(2):____.[6]LiY,ZhangT,WangW.MechanicalpropertiesofFe-basedamorphousandnanocrystallinealloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2005,404(1-2):____.[7]SuzukiK,TakahashiM,HirosawaS.MagneticpropertiesofnanocrystallineFe-Si-B-Nb-Cualloys[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,