功能金属材料 第七章 非晶态合金.ppt

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1、第七章第七章 非晶态合金非晶态合金v非晶态合金的分类非晶态合金的分类v非晶态金属的发展历史非晶态金属的发展历史v非晶态金属的结构特点非晶态金属的结构特点v非晶态金属的制备非晶态金属的制备v非晶态金属性能特点及应用非晶态金属性能特点及应用一、非晶态金属合金的分类一、非晶态金属合金的分类非晶态合金 非晶态合金统称为非晶态合金统称为“金属玻璃金属玻璃”。以极高的速度使熔融状。以极高的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的合金呈玻璃态，即长程无序状态。态的合金冷却，凝固后的合金呈玻璃态，即长程无序状态。可分为两大类：可分为两大类：（1 1）金属金属型非晶态合金）金属金属型非晶态合金 这类非晶态合金主要是含

2、这类非晶态合金主要是含ZrZr （2 2）金属类金属型非晶态合金金属类金属型非晶态合金 这类非晶态合金主要是由过渡金属与这类非晶态合金主要是由过渡金属与B B或和或和P P等类金属等类金属组成的二元或三元，甚至多元的非晶态合金组成的二元或三元，甚至多元的非晶态合金二、非晶态金属的发展历史二、非晶态金属的发展历史非晶态合金1 1、非晶态金属的发展简史、非晶态金属的发展简史2 2、我国非晶态金属材料的发展现状、我国非晶态金属材料的发展现状 1934 1934年年 德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着德国人克雷默采用蒸发沉积法首先发现了附着在玻璃冷基底上的非晶态金属膜在玻璃冷基底上的非晶态金属膜

3、 1959 195919601960年间年间 真正标志着非晶态金属的诞生真正标志着非晶态金属的诞生 1960 1960年年 提出非经态金属具有铁磁性，提出非经态金属具有铁磁性，19651965年被证实年被证实 1971 1971年年 非晶态合金首次进入市场非晶态合金首次进入市场 1980 1980年年 非晶态金属作为催化剂开展了大量研究非晶态金属作为催化剂开展了大量研究三、非晶态金属的结构特点三、非晶态金属的结构特点非晶态合金1 1、非晶态金属的结构、非晶态金属的结构（1 1）内部原子排列短程有序而长程无序）内部原子排列短程有序而长程无序 主要特点主要特点7-1 7-1 气体、液体和固体的原子

4、分布函数气体、液体和固体的原子分布函数三三、非晶态金属的结构特点、非晶态金属的结构特点非晶态合金(2)(2)均匀性均匀性 显著特点显著特点 一层含义：一层含义：结构均匀、各向同性结构均匀、各向同性，它是单相无定形，它是单相无定形结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、结构，没有象晶体那样的结构缺陷，如晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等。晶格缺陷、位错、层错等。二层含义：二层含义：成分均匀性。成分均匀性。在非晶态金属形成过程中，在非晶态金属形成过程中，无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成分起伏无晶体那样的异相、析出物、偏析以及其他成分起伏（3 3）热力学不稳定性）热力学不稳定性体系自由

5、能较高，有转变为晶态的倾向体系自由能较高，有转变为晶态的倾向2 2、非晶态金属结构模型、非晶态金属结构模型（1 1）微晶模型）微晶模型三三、非晶态金属的结构特点、非晶态金属的结构特点非晶态合金（2 2）拓扑无序模型）拓扑无序模型认为非晶态材料是由认为非晶态材料是由认为非晶态材料是由认为非晶态材料是由“晶粒晶粒晶粒晶粒”非常细小的微晶粒组成。非常细小的微晶粒组成。非常细小的微晶粒组成。非常细小的微晶粒组成。微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在微晶模型用于描述非晶态结构中原子排列情况还存在许多问题

6、，使人们逐渐对其持否定态度。许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。许多问题，使人们逐渐对其持否定态度。该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混该模型认为非晶态结构的主要特征是原子排列的混乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看乱和随机性，强调结构的无序性，而把短程有序看作是无规堆积时附带产生的结果。作是无规堆积时附带产生的结果。作是无规堆积时附带产生的结果。作是无规堆积时附带产生

7、的结果。三三、非晶态金属的结构特点、非晶态金属的结构特点非晶态合金7.2 7.2 非晶态结构模型非晶态结构模型此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够此模型对于描述非晶态材料的真实结构还远远不够准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹准确。但目前用其解释非晶态材料的某些特性如弹性，磁性等，还是取得了一定的成功。性，磁性等，还是取得了一定的成功。性，磁性等，还是取得了一定的成功。性，磁性等，还是取得了一定的成功。四

8、、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金1 1、非晶态的形成条件、非晶态的形成条件制备非晶态材料必须解决两个关键问题：制备非晶态材料必须解决两个关键问题：一是必须形成原子（或分子）混乱排列的状态一是必须形成原子（或分子）混乱排列的状态二是将这种热力学上的亚稳态在一定温度范围二是将这种热力学上的亚稳态在一定温度范围内保存下来，使之不向晶态转变内保存下来，使之不向晶态转变 原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。原则上，所有金属熔体都可以通过急冷制成非晶体。也就是说，只要冷却速度足够快使熔体中

9、原子来不也就是说，只要冷却速度足够快使熔体中原子来不也就是说，只要冷却速度足够快使熔体中原子来不也就是说，只要冷却速度足够快使熔体中原子来不及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。及作规则排列就完成凝固过程，即可形成非晶态金属。四、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金比比热热容容温度温度T Tg g T Tm m液体液体过冷液体过冷液体玻璃态玻璃态晶态晶态7-3 7-3 液态金属凝固时比热容的变化液态金属凝固时比热容的变化对纯金属而言，临界冷速一般为对纯金属而言，临界冷速一般为10

10、108 8 K/s,K/s,而合金而合金10106 6 K/sK/s四、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金2 2、非晶态金属的制备方法、非晶态金属的制备方法制备原理制备原理：使液态金属以大于临界冷却速度急速冷却，：使液态金属以大于临界冷却速度急速冷却，使结晶过程受阻而形成非晶态；将这种热力学上的亚使结晶过程受阻而形成非晶态；将这种热力学上的亚稳态保存下来冷却到玻璃态转变温度以下而不向晶态稳态保存下来冷却到玻璃态转变温度以下而不向晶态转变。转变。（1 1）骤冷法）骤冷法基本原理：先将金属或合金加热熔融成液态，然基本原理：先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过各种不同的途径使它们以后通

11、过各种不同的途径使它们以10105 510108 8 K/sK/s的高的高速冷却，致使液态金属的无序结构得以保存下来速冷却，致使液态金属的无序结构得以保存下来而形成非晶态。而形成非晶态。采用此法制备的非晶态合金通常具有高强度、高硬采用此法制备的非晶态合金通常具有高强度、高硬度、高耐蚀性和其它优异的电磁性能。度、高耐蚀性和其它优异的电磁性能。四、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金（2 2）化学还原法）化学还原法基本原理：用还原剂基本原理：用还原剂KBHKBH4 4(或或NaBHNaBH4 4)和和NaHNaH2 2POPO4 4分别分别还原金属的盐溶液，得到非晶态合金还原金属的盐溶液

12、，得到非晶态合金(3)(3)沉积法沉积法由该法制备的非晶态合金组成不受低共熔点的限制。由该法制备的非晶态合金组成不受低共熔点的限制。通过蒸发、溅射、电解等方法使金属原子凝聚或沉通过蒸发、溅射、电解等方法使金属原子凝聚或沉积而成。积而成。(4)(4)化学镀法化学镀法四、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金非晶态金属合金的电沉积有两大优点非晶态金属合金的电沉积有两大优点:首先从实首先从实用的角度，这些合全都具有较高的机械强度和硬用的角度，这些合全都具有较高的机械强度和硬度，优异的磁性能，较好的耐腐蚀能力和电催化度，优异的磁性能，较好的耐腐蚀能力和电催化活性。活性。其次在理论意义上，合金的

13、电沉积往往属于异常其次在理论意义上，合金的电沉积往往属于异常共沉积或诱导共沉积的类型。共沉积或诱导共沉积的类型。利用激光，离子注入、喷镀、爆炸成型等方法使利用激光，离子注入、喷镀、爆炸成型等方法使材料结构无序化。材料结构无序化。已广泛应用于制造各种特殊的功能材料。已广泛应用于制造各种特殊的功能材料。四、非晶态金属的制备四、非晶态金属的制备非晶态合金3 3、影响非晶态合金形成的几个因素、影响非晶态合金形成的几个因素（1 1）合金中类金属的含量）合金中类金属的含量随类金属含量的增加，非晶态合金的形成倾向和稳随类金属含量的增加，非晶态合金的形成倾向和稳定性提高定性提高（2 2）原子尺寸差别）原子尺寸

14、差别原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加原子尺度增加则非晶态合金形成倾向和稳定性增加五、非晶态金属性能特点及应用五、非晶态金属性能特点及应用非晶态合金1 1、力学性能、力学性能非晶态合金的硬度、强度、韧性和耐磨性明显高于普非晶态合金的硬度、强度、韧性和耐磨性明显高于普通钢铁材料。铁基和镍基非晶态金属的抗张强度可达通钢铁材料。铁基和镍基非晶态金属的抗张强度可达40004000MPaMPa左右，镍基的非晶也可达到左右，镍基的非晶也可达到35003500MPaMPa左右，都左右，都比晶态钢丝材料高。比晶态钢丝材料高。非晶态合金的延伸率一般较低，非晶态合金的延伸率一般较低，非晶态合金的延伸率一

15、般较低，非晶态合金的延伸率一般较低，但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达但其韧性很好，压缩变形时，压缩率可达40404040，轧制，轧制，轧制，轧制压率可达压率可达压率可达压率可达50505050以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很以上而不产生裂纹；弯曲时可以弯至很小曲率半径而不折断。小曲率半径而不折断。小曲率半径而不折断。小曲率半径而不折断。五五、非晶态金属性能特点及应用、非晶态金属性能特点及应用非晶态合金2 2、软磁特性、软磁特性无序无序 不存在磁晶各向

16、异性不存在磁晶各向异性 易于磁化易于磁化没有位错、晶界等缺陷没有位错、晶界等缺陷 磁导率、饱和磁感应强磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低，损耗小度高；矫顽力低，损耗小是理想的软磁材料。是理想的软磁材料。3 3、化学性能、化学性能（1 1）耐蚀性）耐蚀性非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来非晶态合金的耐蚀性主要是由于生产过程中的快冷，导致扩散来不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在不及进行，所

17、以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在不及进行，所以不存在第二相，组织均匀；其无序结构中不存在晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高能够在表面迅速形晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高能够在表面迅速形晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高能够在表面迅速形晶界，位错等缺陷；非晶态合金本身活性很高能够在表面迅速形成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较成均匀的钝化膜，阻止内部进一步腐蚀。目前对耐蚀性能研究较多印是铁基、镍基、钴基非晶态台金，其中大都含有铬。多

18、印是铁基、镍基、钴基非晶态台金，其中大都含有铬。多印是铁基、镍基、钴基非晶态台金，其中大都含有铬。多印是铁基、镍基、钴基非晶态台金，其中大都含有铬。五五、非晶态金属性能特点及应用、非晶态金属性能特点及应用非晶态合金（2 2）催化性能）催化性能 非晶态金属表面能高，可连续改变成分，具有明非晶态金属表面能高，可连续改变成分，具有明显的催化性能。显的催化性能。(3)(3)贮氢性能贮氢性能4 4、光学性能、光学性能 金属材料的光学特性受其金属原于的电子状态所金属材料的光学特性受其金属原于的电子状态所支配，某些非晶态金属由于其特殊的电子状态面具支配，某些非晶态金属由于其特殊的电子状态面具有十分优异的对太

19、阳光能的吸收能力。有十分优异的对太阳光能的吸收能力。非晶态金属具有良好的抗辐射非晶态金属具有良好的抗辐射(中子、中子、Y Y射线等射线等)能能力，力，六、常见的非晶态合金六、常见的非晶态合金非晶态合金1 1）过渡族金属与类金属元素形成的合金过渡族金属与类金属元素形成的合金过渡族金属与类金属元素形成的合金过渡族金属与类金属元素形成的合金 主要包括主要包括主要包括主要包括VIIVIIB B，VIIIVIIIB B族及族及族及族及I IB B族族族族元素与类金属元素形元素与类金属元素形元素与类金属元素形元素与类金属元素形成的合金，如成的合金，如成的合金，如成的合金，如PdPd8080SiSi2020

20、，AuAu7575SiSi2525，FeFe8080B B2020，PtPt7575P P2525等，等，等，等，合金中类金属元素的含量一般在合金中类金属元素的含量一般在合金中类金属元素的含量一般在合金中类金属元素的含量一般在13132525（原子百（原子百（原子百（原子百分比）。但近年也发现了一些类金属元素含量可在一分比）。但近年也发现了一些类金属元素含量可在一分比）。但近年也发现了一些类金属元素含量可在一分比）。但近年也发现了一些类金属元素含量可在一定范围内变化的非晶态合金，如定范围内变化的非晶态合金，如定范围内变化的非晶态合金，如定范围内变化的非晶态合金，如NiBNiB31-3431-3

21、4，CoBCoB17-4117-41，PtSbPtSb34-36.534-36.5等。在这类合金基础上可加入一种或多种元等。在这类合金基础上可加入一种或多种元等。在这类合金基础上可加入一种或多种元等。在这类合金基础上可加入一种或多种元素形成三元甚至多元合金，如在素形成三元甚至多元合金，如在素形成三元甚至多元合金，如在素形成三元甚至多元合金，如在PdPd8080P P2020中加入中加入中加入中加入NiNi，形形形形成成成成PdPd4040NiNi4040P P2020。研究表明，这种三元合金形成非晶态研究表明，这种三元合金形成非晶态研究表明，这种三元合金形成非晶态研究表明，这种三元合金形成非晶

22、态要比对应的二元合金容易得多。要比对应的二元合金容易得多。要比对应的二元合金容易得多。要比对应的二元合金容易得多。此外，此外，此外，此外，IVIVB B和和和和VIVIB B族金族金族金族金属与类金属也可以形成非晶态合金。如属与类金属也可以形成非晶态合金。如属与类金属也可以形成非晶态合金。如属与类金属也可以形成非晶态合金。如TiSiTiSi15-2015-20等。等。等。等。2)2)2)2)过渡族金属元素之间形成的合金过渡族金属元素之间形成的合金过渡族金属元素之间形成的合金过渡族金属元素之间形成的合金 这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成这类

23、合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成这类合金在很宽的温度范围内熔点都比较低、形成非晶态的成分范围较宽。如非晶态的成分范围较宽。如非晶态的成分范围较宽。如非晶态的成分范围较宽。如Cu-TiCu-Ti33-7033-70,CuZr,CuZr27.5-7527.5-75,NiZrNiZr27.5-7527.5-75，等。等。等。等。3 3）含）含）含）含IIIIA A 族族族族(碱金属碱金属碱金属碱金属)元素的二元或多元台金元素的二元或多元台金元素的二元或多元台金元素的二元或多元台金 如如如如CaA1CaA112.5-17.512.5-17.5，CaCuCaCu12.6-62.512.6-62.

24、5,CaPd,CaPd，MgMg一一一一ZnZn25-3225-32，BeZrBeZr50-7050-70，SrSr7070MgMg3030等。这类合金的缺点等。这类合金的缺点等。这类合金的缺点等。这类合金的缺点是化学性质较活泼，必须在惰性气体中淬火、最终制是化学性质较活泼，必须在惰性气体中淬火、最终制是化学性质较活泼，必须在惰性气体中淬火、最终制是化学性质较活泼，必须在惰性气体中淬火、最终制得的非晶态材料容易氧化。得的非晶态材料容易氧化。得的非晶态材料容易氧化。得的非晶态材料容易氧化。除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的除以上三类非晶态合金外，还有以锕系金属为基的非晶态合金，如非晶态合金，如非晶态合金，如非晶态合金，如UCoUCo24-4024-40,NpNpCaCa30-4030-40，PuNiPuNi12-3012-30等。等。等。等。