第六讲-非晶合金01.ppt

1、1、第六届非晶合金Amorphous Alloy，主要内容是非晶合金的发展非晶合金的结构非晶合金的性能非晶合金的制造非晶合金的应用，2、自然界的各种物质根据物理状态分为有序结构和无序结构。 晶体是典型的有序结构，气体、液体和非晶固体都是无序结构。 由于人们最初认识到的非晶固体是玻璃等非金属物质，因此玻璃在一定程度上成为了非晶材料的代名词。 3、石英、玻璃、1970年，杜威茨创立了快速凝固技术，由Au-Si合金熔液制成非晶合金，非晶的概念首次与固体金属和合金结合，用金属玻璃(metallic glass )表示非晶合金。 随着更多非晶合金的发现及其所具有的各种独特性能的揭示，非晶不仅作为合金在快

2、速凝固中出现的准稳定相，也成为重要的功能材料。 4、非晶合金带材、非晶合金的发展，5，5，1845年，沃茨将镍磷化物溶液分解在铁基体上得到镍沉积物，该沉积物可能是人类首次得到的非晶金属，但是由于当时没有发现x射线衍射技术历史上关于非晶合金的最初报告是1934年克拉莫德蒸发沉积制作的。 1947年，布伦利等人通过电解和化学沉积得到了Nip和cop的非晶薄膜，发现其具有高硬度、耐腐蚀特性，可用作金属表面的保护涂层，是非晶材料最早的工业应用，但最后受到了关注。 6，6，1958年，安德森提出：当晶格无序度超过一定的临界标准时，固体中电子的长距离扩散将消失。 同年，在美国阿尔弗雷德首次召开了非晶固体国

3、际会议。 从此，非晶物理和材料的研究成为材料科学的重要分支。 1960年，古贝蒙维理论上预示非晶固体具有强磁性：晶体固体的电子带向液体转移时基本形式没有变化。 这意味着带结构依赖于短过程而不是长过程，电子之间的交换作用与短过程有关，与晶格结构没有必然关系。 因此，短程序的非晶固体应该具有强磁性。 7、7、7,1965年，马德和诺威在真空沉积的Co-Au合金薄膜中发现了非晶铁磁性。 1970年，杜韦斯等人用喷枪法将70%Au-30%Si液态金属高速急冷制成非晶合金，这种方法使工业上大规模生产非晶合金成为可能。 1973年，美国生产磁导率和耐腐蚀性优良的非晶铁基合金薄带，非晶合金的研究和应用受到世

4、界各国的广泛重视。 8、对非晶Fe基带材料、我国非晶合金的研究始于七十年代中期。 1982年，中国创立了非晶合金品牌，批量生产宽50-100mm的薄带，制作了大功率变压器、开关变压器等铁心。 由非晶材料构成的磁头，可以用于录音、录像的各种传感器中使用的非晶线圈、薄带以及薄膜也研究开发成功，非晶薄膜在用于磁记录技术方面也取得了很大的成果。 9、非晶磁头、非晶合金的结构特点，10、非晶和晶体都是气体、液体凝固的，冷却速度不同所形成的结构也有很大差异。 晶体是典型的有序结构，原子有规律地排列在晶格上形成对称性的非晶态和气体、液体是结构上无序的结构，充分快速的冷却会引起液体的连续转变，形成非晶固体。1

5、1、晶体、非晶、气体、晶体、非晶、气体原子的排列图像、非晶原子的排列状态与液体原子相似，但液体分子容易滑动，粘性系数小的非晶固体分子不能滑动，粘性系数是液体的约1014倍， 具有大刚度和固定形状的液体原子随机排列，除了局部结构的起伏，几乎完全无序混乱的非晶排列紊乱并非完全紊乱，而是破坏了长距离秩序的周期性和平移对称性，形成了有缺陷的不完全秩序，即最近或局部的短距离秩序(一些。 12、非晶材料在微观结构上存在小区之间的短程有序，邻近或下一个邻近原子键有一定的有序性，但具有无长程有序的基本特征。 随着温度上升，非晶材料发生明显的结构转变，是准稳定材料的一种。 为了从准稳定状态转移到自由能最低的稳定

6、状态，需要克服一定的能垒，因此准稳定状态在一定温度范围内可以长期稳定存在的温度超过一定值Tc (结晶化温度)时，发生稳定化转移，形成结晶合金。 13、非晶结构的准稳定性不仅包括温度达到Tc以上时产生的结晶化，还包括低温加热时产生的结构弛豫。 在低于结晶化温度Tc的退火时，非晶合金内的原子的相对位置发生小的变化，非晶合金的结构接近有序度高的理想结构，在降低其总能量的同时，引起非晶合金密度、比热、电阻、弹性模量等物理性能相应的变化，将该结构变化作为结构缓和在退火高于结晶温度Tc时，由于热活化能增大，非晶合金克服稳定化转变势垒，形成自由能更低的结晶状态，结晶化转变参与原子的长距离扩散，所需的活化能高

7、于结构缓和，非晶合金的许多物理性能也发生很大变化14、非晶态化晶体与合金熔体凝固晶体类似，也是成核和生长的过程。 结晶化是固体反应，受原子在固相中的扩散支配，结晶化速度未凝固的结晶快的非晶在结构上比熔体接近结晶状态，使核结晶化时的主要电阻项(固液界面能)比凝固时(固液界面能)小，实际凝固时，形成非晶有可能形成几个细小的晶粒，它们在结晶化时成为不均匀核介质，非晶中的夹杂物、自由表面等能够以不均匀核方式进行结晶化。 非晶化时的成核率高，结晶化后的晶粒非常小，15、非晶合金的结构缓和和结晶化都是亚稳定非晶结构产生结构失稳时发生的相应变化。 非晶结构的稳定性主要决定合金组成要素的种类和含量：组成要素的

8、种类和含量的变化改变原子键强度和短程有序的程度。 凝固冷速：冷速越高，金属玻璃的自由能越高，相应的结构稳定性越低，越容易产生结构缓和和结晶化，选择适当的凝固冷速对于保证非晶质稳定性越重要。 构成熵大的合金的结晶化活化能越大，结构缓和和结晶化所需要的能量越高，非晶结构越稳定。 中子照射使极细晶粒非晶化，去除结晶时的不均匀核介质，提高非晶合金的稳定性。 16、非晶合金的性能，17、非晶中原子有强键，特别是金属系金属非晶中的原子键远强于一般的非晶合金，非晶合金中的原子排列长程无序，缺乏周期性，合金受力时不产生滑动的非晶合金、18、强度、硬度和刚度、高强度非晶材料、金属玻璃的强度、硬度和弹性模量、19

9、、部分非晶合金的强度超过高强度马氏体强度钢(s约2GPa )，强度最高的Fe80B20的屈服强度与冷拉钢丝基本相同。金属玻璃在室温强度和硬度好的同时，耐磨性也好，在相同的试验条件下以与WCrCo耐磨合金几乎相同的速度磨损。 20、韧性和延展性、非晶合金不仅具有高强度和硬度，而且与脆性无机玻璃完全不同，具有良好的韧性，在一定的受力条件下也具有良好的延展性。 Fe80B20非晶合金的断裂韧性可达到12MPa.m-1/2，远高于强度相近的其他材料的韧性，约比石英玻璃的断裂韧性高两位数。 21、弹性非晶、金属玻璃的塑性与外力的方向有关。 处于压缩、剪切、弯曲状态时，非晶合金具有优良的延展性，压缩伸长率

10、达到40，轧制时的压下率即使在50以上也不发生断裂，薄带对弯曲到180度一般也不断裂。 非晶合金在拉伸应力条件下的伸长率低，一般只有约0.1%。 非晶合金因外力应变不均匀，疲劳应力作用时疲劳裂纹容易成核，疲劳寿命低。 22、密度、非晶是短程有序的密排结构，与长程有序的晶态密排结构相比，非晶合金的密度比成分接近的晶态合金低1-2。 Fe88B12合金在结晶状态下的密度为7.52g/cm3，在非结晶状态下的密度为7.45g/cm3。 非晶合金具有高强度、硬度、耐磨性能和韧性，在弯曲、压缩状态下具有良好的延展性，但由于拉伸性、疲劳强度低，一般不能单独作为结构材料使用。 多种成分的金属玻璃经过适当的结

11、晶处理后，综合力学性能大大提高。 23、热学性能、非晶合金处于准稳定状态，是温度敏感材料。 材料的结晶化温度低的话，非晶合金会变得更不稳定，室温下也会转变。 24、非晶热处理、金属玻璃在相当宽的温度范围内，均显示出低热膨胀系数，并且经过适当的热处理，可以进一步降低非晶合金在室温下的热膨胀系数。 25、一些非晶合金的热膨胀系数(10-6/)、电性能、非晶具有较长的无序结构，金属-类金属非晶合金中含有许多类金属元素，对电子有较强的散射。 像非晶合金那样具有高电阻率，是相同成分的结晶合金的电阻率的23倍，电阻温度系数比结晶合金小。 26、一些晶态和非晶合金的电阻率和电阻温度系数、磁学性能，一些非晶合

12、金具有良好的铁磁性能。 由于非晶合金没有晶界，一般没有沉淀相粒子等障碍地固定在磁壁上，因此非晶合金容易磁化，矫顽力极低。 非晶合金部分结晶化后产生的极细晶粒作为磁壁不均匀形核介质，能够使磁区微细化，得到比结晶软磁性耦合成分更优异的高频(100kHz )软磁性能。 一些铁基非晶合金(例如，Co-Fe-B-Si )在宽频率范围内具有高导磁率。 27、一些非晶合金的软磁性特性，28、一些非晶永磁合金经晶化处理后永磁性能大大改善。 大多数铁基稀土类非晶合金结晶化时，矫顽力增加23位数以上，具有优异的永久磁铁性能。 NdFeB非晶合金经过结晶化热处理，控制应变织构的方向后，最大磁能积达到55MGOe，是

13、目前永磁合金磁能积的最高水平之一。 29、由于化学性能、非晶中没有晶界、沉淀相界、位错等容易引起局部腐蚀的部位，也没有容易出现结晶合金的成分偏析，因此非晶合金的结构和成分都比结晶合金均匀，具有更高的耐腐蚀性。 含有Cr的Fe基、Co基和Ni基非晶合金，特别是含有p等金属元素的非晶合金，具有优良的耐腐蚀性。 Cr可以形成防腐蚀保护膜，p可以促进防腐蚀保护膜的形成，30、非晶合金和晶态不锈钢在10-10H2O溶液中的腐蚀速度，31、非晶合金的制造方法，32、非晶合金薄片，杜贝茨首先用喷枪法形成非晶薄片将少量合金放入底部有小孔的石墨坩埚中，通过感应加热或电阻加热使其在惰性气体中熔融。合金熔液的表面张

14、力高，不会从小孔中漏出。 之后利用冲击波使熔体从小孔迅速喷出，在冷却基板上形成薄膜。 喷枪法冷却速度高达106-108K/s，宽约10mm、长20-30mm、厚20-50m的非晶薄片，33、喷枪法可以制作非晶合金薄片的图像，活塞砧法也可以制作非晶薄片34、利用活塞法的非晶合金薄片的示意图、非晶合金粉的调制、向小滴喷涂合金液雾化，如图(a )所示，气流本身是淬火制冷剂，代替气体而将液体(水等)作为淬火介质使用，虽然也能够提高冷速，但也能够得到气体和液体的喷流同时使用，如图(b )所示，气体淬火小粒子，大粒子从液体提供高冷速，平均冷速达到105-106K/s。 35、非晶合金粉末的制备可以通过(a

15、 )气体雾化、(b )气流雾化、非晶合金薄带的制备、单辊急冷法和双辊急冷法制备非晶带材。 从直径0.2-0.5mm的石英喷嘴用惰性气体喷出液态合金，在高速旋转(2000-10000r/min )的金属辊表面或一对辊之间连续喷射，液态合金因急冷而变为非晶态状态。 36、非晶带的制造方法(a )单辊离急冷(b )双辊急冷轧制、非晶合金的应用、37、非晶软磁元件、变压器高功率变压器总是希望使用磁感应强度高、矫顽力低、损耗小的材料。 变压器的使用量特别多，要求原材料成本也低。 另外，所用材料还要求延展性好、加工容易、尺寸精度高、层间绝缘性好、耐腐蚀性强。 38、大功率变压器、非晶合金矫顽力低，外场作用

16、下容易充分磁化，同时非晶合金具有高电阻，能显着降低涡流损耗。 将金属玻璃用作低频(50-60Hz )磁芯时的磁芯损耗低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等铁基非晶合金的磁芯损耗仅为常用硅钢板的1/3-l/5，饱和磁感应强度等磁学性能非晶质软磁性，39、非晶质磁性合金的应用不仅能减少能量损失，而且在额定功率定时能减轻变压器的重量，减小变压器的尺寸。 40、变压器用非晶铁芯、非晶变压器、Fe基非晶合金和坡莫合金制开关变压器的性能比较，非晶变压器的体积、重量显着下降，温度上升下降，成本减少50以上。 41、Fe基非晶合金和坡莫合金制开关变压器的性能、磁头、材料饱和磁感应强度

17、大的工作频率范围内导磁率高矫顽力低、电阻率高的耐磨损性和抗蚀能力强的磁特性对加工应力不敏感，热稳定性好等。 42、将硬盘读写磁头、非晶合金作为磁头使用，具有非磁性结晶各向异性：结晶材料的磁结晶各向异性降低导磁率，增大矫顽力，增加滞后损耗，增大噪声的优点。 电阻率高：有利于减少涡流损耗。 硬度大，耐磨性能好。 耐腐蚀性高：难以兼顾结晶性材料的磁性和耐腐蚀性。 容易得到的薄带：为了在高频工作时减小涡电流损失，希望使材料变薄，对于要求几微米到几十微米的片材的结晶材料，加工困难，非晶带的厚度一般为20-40m，适合于视频头的工作频带。 43、传感器、非晶合金薄带和丝材有很多优点，适合各种传感器的需要：有高强度和高弹性极限，可以用非晶丝材直接制作弹性环和弹簧，不需要辅助弹性材料和保护材料，制作的器件能承受较大的拉力Co基非晶合金的最大磁导率能达到106级，是高灵敏度磁传感器的理想材料。44、用无定形胶带缠绕环状磁芯，沿直径方向施加微小外力时，磁芯的磁特性会发生显着变化。 由该磁芯构成单芯桥多谐振荡器，能够将应力引起的磁特性变化转换为直流电压输出，成为高精度的应力传感器。 45、应力传感器、非晶Fe82Si6B12频带制电磁传感器用于交通信号自动控制装置的探头，性能明显优于坡莫合金：电路电压下降一半，励磁电