金属材料发展历史上新的一页。近些年来，非晶态金属材料与急冷 技术已成为材料领域的一个前沿学科而得到迅速的发展，至今已有 数不胜数的非晶合金被研制出来，非晶态金属是目前人们所知的强 度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料，有人把非晶 态金属视为20世纪金属材料的新里程碑，有一定的道理。 (1)非晶态合金的形成 液态金属冷却的过程中，在 低于理论熔点(Tm)的温度将 产生凝固结晶，这个过程可分为 开始结晶 结晶终了 形核和长大两个基本阶段，随温 晶态 度的降低，结晶开始和终了的时 间与温度的关系可以用一个C 形曲线来表示（图2-10）。由图 可知，如果液态金属以高于图中 非晶态 的临界冷速V。的速度冷却时， 时间 可以完全阻止晶体的形成，从而 图2-10液态金属结晶开始 把液态金属“冻结”到低温，形 时间与过冷度的关系 成非晶态的固体金属。从理论上 说，任何液体都可通过快速冷却获得非晶态固体材料，只不过不同 的材料需要不同的冷却速度，对于硅酸盐（玻璃）和有机聚合物而 言，其C形曲线的最短时间也有几小时或几天，因此在正常的冷 却速度下均得到非晶固体，但是对于纯金属而言，其最短时间约为 10-6s,这意味着纯金属必须以大约每秒100K的速度冷却时才可 能获得非晶态，因此在实际工程中，无法得到非晶态的纯金属。研 究表明，对丁合金而言，获得非晶态的临界冷速与合金的成分、合 金中原子间的键合特性、电子结构、组元的原子尺寸差异以及相应 的晶态相的结构等因素有关，为获得非晶态金属主要有下述两个途 径：①研究具有低的，的合金系统，以便得到形成非晶态的较为 便利的条件：②发展快速冷却的技术，以满足获得非晶态金属的技 术需要
①非晶态合金成分的主要特点。多数可获得非晶态的二元合 金系列是由过渡族金属或贵金属和玻璃化非金属或类金属组成，前 者如Fe、Ni、Co等，后者如B、Si、C、P等，其中玻璃化元素的 原子百分比为15%~30%，多数在5~6范围内。这类合金的成 分均接近于共晶的成分，这是因为，共晶结晶时，固相的成分与液 相有很大的差别，也就是说二元共晶的形核需要有更大的成分起伏 和能量起伏，而且固体结晶相的结构也比较复杂，因此结晶时形核 比较困难，形核所需时间比较长，有利于非晶态的获得。如果在二 元合金中，再加入另一种或几种元素，有可能构成更易得到非晶态 的多元系，例如FeP-C、NiSi-B、Pd-Cu-Si、Pt-Ni-P等非晶态合 金系列，含有较多价格低廉的类金属元素，并且有很好的性能，是 研究得最多的一类非晶合金，其中的Fe4Ni4oP14B6、Fego B2o、 FesoP16CgB,等合金均已投入实际的应用。 几种非晶合金的临界冷速列于表2-4。由表可见，适当的合金系 列，可使临界冷速大大下降，使得技术上实现的可能性显著增大。 表24几种非晶合金的临界冷速v.值 金属或合金 ve/K.s-1 金属或合金 vK.s-1 Ag 约1010 Pb82Si18 1.8×103 Feg3B) 1×106 Pd77.sCuSi16.5 3.2×102 其他非晶合金的系列还有以下几种。 (a)两种过渡族金属所组成的，如Ni-Nb、Ni-Ta、Ni-Ti、 Ni-Zr等。 (b)ⅡA族金属元素(Mg、Ca、Sr)加B族金属元素(Al、 Zn、Ga)等，如Mg0Zn0、Ca或Sr中加入15%~60%（原子） Mg、Al、Cu、Zn、Ga、Ag等。 (c)ⅡA族金属元素加过渡族金属Ti、Zr、Nb、Hf等，例如 Be4oZr1 oTiso合金己投入应用。 (d)锕系金属与过渡族金属组成的合金系，如UV,U-Cx等。 (e)铝基非晶合金：Al分别加上Cr、Cu、Ge、Mn、Ni、Pd
Zr、Co等一元系或三元系，如Al-M(Cr、Mo、Mn、Fe、Co或 Ni)-Si、Al-Co-B、Al-M(V、Cr、Mo、Mn、Fe、Co或Ni)-Ge、 Al-A(Fe、Co、Ni或Cu)-M(Ti、Zr、V、Hf、Nb、Ta、Cr、 Mo或W) ②形成非晶态的快速凝固技术。金属熔液从高温以很高的冷 速(>)迅速冷至低温，是狄得非晶态的不可缺少的技术条件， 一个相对于环境放热的系统，其冷速取决于该系统单位时间内产生 的热量和通过环境可以传出的热量，因此实现快速冷却必须要求： (a)减少系统凝固时放出的潜热： (b)增大体系和环境的传热速度。 根据这两个要求，只能减小同时凝固的熔体的体积，增大熔体 的散热表面积，并采用散热极快的环境体系。根据上述基本要求， 发展出了各种急冷快凝技术。 根据熔体分离和冷却方式的不同可分为模冷技术、雾化急冷技 术和表面熔化急冷技术3类。模冷技术的特点是，首先把熔体分离 成截面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与高速旋转的、传热极快 的冷模接触，从而迅速冷却：雾化急冷技术是指，先将液态金属通 过喷雾器分散成尺寸极小的雾状熔滴，再迅速在冷却气氛或与冷模 接触巾冷却：表面熔化急冷技术是用高能粒子束扫描工什的表面， 使其表面层局部迅速熔化，通过 惰性气体 强制冷却的工件本身的传导，使 石英管 熔化区急冷。不同的急冷快凝方 感应加热线图 法可以获得不同的冷却速度，最 高可达10Ks,由此可以制得粉 液轮 末状、丝状、薄带状的非晶态 合金。 一种广泛应用于实验室并可 非晶薄带 用于生产的熔休旋转法如图2-11 所示，将所需成分的合金切成小 块，去除氧化皮和油污后，置于图211熔体旋转法制备非晶合金
石英管中，经感应加热熔化至一定温度的合金在充入的惰性气体压 力下从石英管下端的孔隙中喷出，在导热性极好的高速旋转的铜制 滚轮上，迅速凝固并抛射出来。最高冷速可达108Ks。 (2)非晶合金的结构 从非晶态金属的形成过程可知，它的凝固过程显然不同于结晶 过程，它不存在形核和长大的过程，非晶凝固过程主要是熔体粘度 的变化，在非晶形成的温度附近很小的温度范围内，粘度增加了约 4个数量级，而原子的组态基本保持不变，即在凝固的过程中被 “冻结”为无长程有序的非品态固相，并抑制了晶态相的形成。 经X射线衍射、中子衍射和电子衍射分析表明，非晶态合金 的结构与晶体截然不同，非晶态合金不具有长程有序性，即原子的 排列不具备规则的周期的重复排列的特性。但非晶态合金的结构与 液态金属的结构也有一定的差别。实验研究表明，非晶态合金的结 构并非完全无序，在几个原子范围内，原子的分布具有一定的规律 性，即短程有序，包括异类原子相互位置存在一定的规律性。这种 短程有序的范围比液态金属要大。在固态的条件下，这种短程有序 的特性己被冻结下来，不随时间而变化。由于长程无序结构的研究 要比晶态物质复杂得多，至今尚不可能完全了解非晶态合金的微观 结构和原子排列的细节。关于非晶态合金中的键合、原子结合等的 研究和探索，对于固体科学的发展亦有重大的意义。 在考虑非晶合金结构特征时，如下几点应予以重视。 ①非晶态是一种亚稳态，它是在特定的条件下形成的，因此 在一定的条件下（在玻璃化温度附近）会发生稳定化的转变，即向 晶态转变，称为晶化。非晶态金属的晶化过程也是一个形核和长大 的过程，由于是在固态下、较低的温度下进行的，要受原子在固相 中的扩散的支配，晶化速度不可能像凝固结晶时那样快，但是由于 非晶态金属在微区域中的结构更接近于晶态，且晶核形成的固相中 的界面能也比液固界面能小，因而晶化时形核率很高，晶化后可以 得到晶粒十分细小的多晶体。非晶态合金的晶化过程是很复杂的过 程，不同成分的合金可有不同的方式，并且在许多情况下，晶化过
程中还会形成过渡的结构。 ②非晶态合金中没有位错，没有相界和晶界，没有第二相， 因此可以说是无晶体缺陷的固体，结构上具有高度的均匀性而且没 有各向异性，但是原子的排列又是不规则的，与通常的品体材料的 巨大差异将对其性能有重大影响。 ③非晶态合金原则上可以得到任意成分的均质合金相，其中 许多在平衡条件下是不可能存在的。这是一个非常重要的特点。从 这个角度来说，非晶态合金大大开阔了合金材料的范围，并可获得 晶态合金所不能得到的优越性能。 (3)非晶态合金的性能特点 由于非晶态合金在成分、结构上都与晶态合金有较大的差异， 所以非晶态合金在许多方面表现了独特的性能。 ①特殊的物理性能。优异的磁学性能是许多非晶态合金的突 出特点。在非品合金中没有品界，也没有第二相沉淀粒子对磁畴壁 的钉扎作用，所以具有软磁性能的非晶态合金非常容易磁化，甚至 在比地磁场弱一百倍的磁场中即可磁化，矫顽力亦极低，一般 H。<8A/m。某些钻基非晶态合金还具有很小的磁滞伸缩、在很 人的频率范围内都具有很高的磁导率。 合金的永磁性能主要决定于与原子排列短程有序有关的电子能 带结构，因此非晶态永磁合金同样具有良好的硬磁性能。与晶态合 金不同的是，一些非晶态永磁合金经过部分晶化后，性能还有大幅 度的提高，例如引人注目的Nd-Fe-B非晶态合金，经过适当的晶化 处理后，磁能积达到40MG·O,这是目前水磁合金磁能积的最高 水平。由于非晶态合金具有长程无序结构，因此对于电子有较强的 散射能力，所以一般具有很高的电阻率，为相同成分的晶态材料的 2~3倍。同时电阻温度系数比晶态合金小。许多非晶态合金具有超 导性。非晶态合金的密度比晶态合金低1%~2%，与晶态合金相 比，原子在非晶态合金中的扩散速度比相应的晶态合金中要增大1 个数量级，非晶态合金的热膨胀系数较小，只有相应的晶态合金的 一半左右