1、1非晶合金(Amorphous alloy) 非晶合金的發(fā)展概況 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21.非晶合金的發(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ＡВ椒蔷B(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(jì)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(qiáng)度高、彈性好、硬度高、沖擊韌性好、耐磨性好

2、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，已成為人類發(fā)展?jié)摿艽蟮男虏牧稀D1 各種材料性能對比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

3、加入，顯著增加了金屬形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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。4 1960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(xì)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)

4、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(dá)105106K/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(jì)90年代，將冷卻的速率降到只有1100K/s，才生產(chǎn)出了均勻的塊狀非晶，現(xiàn)在非晶鑄塊的厚度可達(dá)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。5 目前，非晶態(tài)金屬材

5、料在制備和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了極大的進(jìn)展。美、日等發(fā)達(dá)國家非晶合金的生產(chǎn)已進(jìn)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(dá)到國際先進(jìn)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(jī)理方面取得了長足的進(jìn)步。根據(jù)相關(guān)機(jī)理，采用吸鑄法已制備出直徑達(dá)30mm的

6、Zr基非晶合金，而對PdNi-Cu-P的尺寸已達(dá)72mm。 我國還制定了非晶態(tài)金屬的國家標(biāo)準(zhǔn)，包括28個牌號，初步形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。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(510nm)、界面清潔的三維大尺寸塊狀納米

7、金屬合金材料。 72.非晶合金的結(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)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(1.50.1)nm 。這種長程無序除結(jié)構(gòu)無序外，對于成分來說，也是無序的，即化學(xué)無序。 2)均勻性

8、和各向同性 非晶合金的均勻性也包含兩種含義：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；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。8 3)均勻性和各向同性 在熔化溫度以下，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)

9、構(gòu)單元。但是，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(jìn)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9 2)微晶模型 非晶態(tài)材料是由晶粒非常細(xì)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)

10、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(dāng)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?fù)錈o序模型 這類模型認(rèn)為非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和無序，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(qiáng)調(diào)的是無序，把非晶中實際存在的短程有序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?fù)錈o序模型得到的結(jié)果基本上與實驗一致，所以，可把拓?fù)錈o序模型當(dāng)作絕對零度下的非晶態(tài)理想的模擬。圖4

11、拓?fù)錈o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)，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(kuò)散系數(shù)D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度高于Tg的擴(kuò)散系數(shù)Dn；電

12、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8103A/m增加至3105A/m。 2)晶化T Tg 在適當(dāng)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，會改善某些性能。如鐵基、鎳基、鈷基非晶在剛達(dá)晶化溫度時，可獲得高強(qiáng)度的微晶。123.非晶合金的形成(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 真空約10-8Pa蒸發(fā)、離子濺射、化學(xué)氣相沉淀 (CVD)等。蒸發(fā)和濺

13、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110nm/s，比蒸發(fā)高一個數(shù)量級，最近達(dá)到1m/min，可制作厚膜。化學(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105108K/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(xì)絲。熔融母合金的冷

14、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(dāng)達(dá)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(qiáng)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4l045106K/s的冷卻速率，如對Pd91.7Cu4.2Si5.1合金，可在表面產(chǎn)生400m厚的非晶層。14(2)非晶合金的形成

15、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(dá)到1012Pas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(dá)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(fù)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

16、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。15 合金各組元的尺寸相差大，一般原子尺寸差1020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(fù)性差越大，交互作用越強(qiáng)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(qiáng)，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B族元素和族元素及B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?jǐn)?shù)在1325%，處

17、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-B3141，Co-B1741，Pt-Sb(銻)3436.5。 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1039范圍內(nèi)變化，如實用意義很大的Fe-Si-B非晶合金。16 后來發(fā)現(xiàn)，B和B族的前過渡金屬-類金屬(摩爾分?jǐn)?shù)1530%)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

18、擴(kuò)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(dá)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-Ti3570、Ni-Zr6080、Nb-Ni4066。有的在低濃度區(qū)有一窄的非晶形成范圍，如Co-Zr916、Fe-Zr911，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LaAu1826、La78Ni22、Gd-Fe3250、Er68Fe32、Gd-Co4050等。 3)錒系金屬系 以釷、鈾、镎、钚

19、等錒系金屬為基的低共晶溫度的非晶態(tài)合金，如U-Co2440、Np-Ga3040、Pu-Ni1280等。174.非晶合金的性能(1)力學(xué)性能 1)高強(qiáng)度和高韌性 非晶態(tài)合金具有極高的斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并兼?zhèn)淞己玫乃苄浴谋?所列的一些典型非晶態(tài)合金的強(qiáng)度和硬度可見，鐵基和鈷基非晶合金的維氏硬度可達(dá)980以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)4000MPa以上，這比目前高強(qiáng)度鋼還要高出許多。表1中列出的抗拉強(qiáng)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(dá)到的實際值(1/500) 高一個數(shù)量級。非晶合金的HV/b值為0.250.35，接近于無加工硬化材料的0.30。Fe80

20、B20非晶合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)3.6GPa，而碳纖維絲的屈服強(qiáng)度也只有3.33.5Gpa。 非晶合金的伸長率僅1%，但其變形能力很高。如Pd77.5Cu6Si16.5合金的伸長率為0.3但其壓縮率可達(dá)40%，可冷軋，無加工硬化，總壓縮量可達(dá)50%而不產(chǎn)生裂縫。可見，非晶合金的強(qiáng)度大大高于金屬，而伸長率卻勝過玻璃。18非晶合金硬度(HV)抗拉強(qiáng)度b/MPa彈性模量E/MPab/EHV/bFe80P20700-Fe80B20108034001.71050.0200.32Fe90Zr106402160-0.30Fe80P13C776030401.21050.0250.25Fe78B10Si129103

21、3001.21050.0280.25Fe62Cr12Mo8C189003200-0.28Fe62Mo20C169703800-0.26Fe46Cr16Mo20C1811303900-0.29Co90Zr106001860-0.29Co78Si10B1291030000.91050.0340.30Co56Cr26C188903230-0.28Co44Mo36C2011903800-0.31Co34Cr28Mo20C1814004020-0.35Ni90Zr105501760-0.31Ni78Si10B1286024500.81050.0310.35Ni34Cr20Mo28C1810603430-

22、0.31Pd80Si2032513300.71050.0200.24Cu80Zr204101860-0.22Nb50Ni50893-1.3105-Ti50Cu50610-1.0105-表1 一些典型非晶態(tài)合金的硬度和強(qiáng)度19 非晶合金的疲勞強(qiáng)度同樣很高，在107周循環(huán)下，F(xiàn)e-Ni基非晶合金為650900MPa，鈷基非晶合金則可達(dá)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，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。

23、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(qiáng)度增加，而用原子序數(shù)高于鎳的銅替代，強(qiáng)度則下降。 非晶Fe80Si13C7的斷裂韌度很高1.1107J/cm2, Pd80Si20為0.4107J/cm2，Cu57Er43為0.6107J/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

24、，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?jǐn)?shù)為1518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(dāng)?shù)卣{(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EE0-ET隨時間不斷下降，相當(dāng)長時間后達(dá)到穩(wěn)定(未老化)。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)

25、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(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(biāo)準(zhǔn)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-195300溫區(qū)其膨系數(shù)在-810-6/810-6/之間，在室溫值達(dá)10-7/。非晶態(tài)的Fe-Ni-Zr、Fe-Co-Zr合金的抗拉強(qiáng)度為2500MPa，比晶態(tài)的450M

26、Pa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(fù)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。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5035010-8m，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(fù)值。 2)低溫區(qū)電阻率出現(xiàn)極小 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)，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

27、、損耗小，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 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。可適當(dāng)?shù)丶尤肷倭康拟捇蜴嚕蜻M(jìn)行適當(dāng)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(dá)1.71.75T。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(3010-6)。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

28、致相等，Bs=0.71.0T，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10l0-6。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6 Fe81B13.5Si3.5C2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，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

29、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)0，使TcTx。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(fù)的，s=-410-6，而(Fe5Co95)78Si8B4成分附近s0，(Fe95Co5)78Si8B4合金的磁致伸縮最大s=4410-6，和金屬鎳的s相當(dāng)。在不含鈷的合金系中，s隨鎳含量的增加而減小，在(Fe20Ni80)78Si8B14附近s=0。 (F

30、eCoNi)-(SiB)系合金的磁致伸縮與溫度有關(guān)，含鐵量高的合金，s隨溫度的上升單調(diào)下降，而含鈷和含鎳高的合金，s的變化顯得比較25復(fù)雜。采用不同的熱處理工藝，s會出現(xiàn)明顯的變化，如Fe100-xBx合金，x12時，s3410-6，經(jīng)3003h熱處理，s可達(dá)到4910-6。合金B(yǎng)s/THc/(A/m)e(1kHz, 0.8A/m)Tx/Tc/Co83.5W6Zr10.50.720.88800578453Co79Cr10.6Zr10.40.670.814000540433Co77Cr11.7Zr11.30.540.634800549360Co80.4V9.8Zr9.80.770.6126005

31、20-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)508600Co80Ni10Si2Zr81.001.6-500700Co84Cr7B1Zr81.000.82000(起始磁導(dǎo)率)580700Co68Mn10B221.000.426000452613Co70Mn10B240.950.528000466434Co68Mn8B240.890.340000513323Co7

32、6Ti18B60.651.412000485413Co74Zr12B140.692.610000616428Co76Zr12B120.741.911000605450Co76Hf12B120.761.812400600458表2 Co-Zr和Co-TM-B系非晶合金的磁性能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)鐵基合金在濃鹽酸的耐蝕性優(yōu)于不銹鋼（不銹鋼有嚴(yán)重的點腐蝕）。含79%(摩爾分?jǐn)?shù))鉻的鎳基非晶晶態(tài)合金Ni72Cr8P15B5在60的wFeCl6H2O=10溶液中，

33、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(dāng)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(dāng)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。27 2)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

34、20世紀(jì)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(dāng)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(dāng)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

35、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)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。28(6)光學(xué)性能 金屬材料的光學(xué)特性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(dāng)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、射線等）能力，使其在火箭、宇航、核反應(yīng)堆、受控?zé)岷朔磻?yīng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。295.非晶合金的應(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

36、件中代替原來的晶態(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1/101/5，激磁電流僅為硅鋼片的1/121/8，總能量損耗可減少4060。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(fù)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97.3553.0952334Fe80B2011.817298.2390.15115224表2 Fe80B20和硅鋼制作的10kVA變壓器性能比較 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

37、低工作磁感來補(bǔ)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30可滿足變壓器在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(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)子或電動機(jī)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(jī)中磁頭

38、。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新型磁頭的要求。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(dá)22105，坡莫合金的最高值為10105；非晶合金的硬度(HV900)遠(yuǎn)高于Fe-Si-Al(HV500)和坡莫合金(HV200300)；耐磨性極好，與Fe-Si-Al相當(dāng)，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

39、滯回線，當(dāng)鐵心的飽和磁化強(qiáng)度正負(fù)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(xì)晶粒各向同性結(jié)構(gòu)、小損耗需要0.030.015mm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/Bl0.01)，Bs0.77T。使用溫度達(dá)120，在100kHz損耗低于標(biāo)準(zhǔn)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(dá)80。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(qiáng)度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(qiáng)度低，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(dāng)0.05a0.20、15z30時的非晶合金具有優(yōu)異的熱敏特性，性能優(yōu)于晶態(tài)合金和鐵氧體材料。用于保護(hù)架空線，在溫度低于熱