物理-多组元大块非晶合金材料的发现与进展

非晶合金研究现状及应用发展综述摘要：本文综述了块体非晶合金材料研究发展的历史和现状。

介绍了主要的非晶合金体系发展状况，并从块体非晶合金材料形成的成分与结构条件、热力学条件和动力学条件等方面阐述了块体非晶合金形成和稳定存在的机制。

较全面地列出并介绍了目前块体非晶合金材料的制备方法及其特色，并总结了非晶合金的性能特征和应用现状。

关键词：非晶合金；性能；应用；制备方法0 引言非晶态合金是指不具有长程有序但短程有序的金属合金,又由于其具有金属合金的一些特性,故它们也被称为玻璃态合金或者非结晶合金，属于非晶态材料中新兴的分支【1】。

与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。

块体非晶合金材料的迅速发展，为材料科研工作者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨大的开拓空间。

1.非晶合金的结构综述非晶态合金的结构自从20世纪60年代发现首个Au-Si非晶态合金以来【2】,非晶态合金的原子结构就是人们关注的焦点,提出了多种非晶态合金结构模型,主要有:硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网格模型、FCC/HCP密堆团簇堆积模型。

1.非晶合金的性能及应用非晶合金与普通钢铁材料相比，有相当突出的高强度、高韧性和高耐磨性。

根据这些特点利用非晶态材料和其它材料可以制备成优良的复合材料，也可以单独制成高强度耐磨器件。

在日常生活中接触的非晶态材料已有很多，如用非晶态合金制做的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机中的广泛使用；把块体非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮中；采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。

非晶合金材料已广泛用于轻、重工业、军工和航空航天业，在材料表面、特殊部件和结构零件等方面也都得较广泛的应用。

2.1部分应用场景（1）非晶态的力分布传感器非晶态合金因无结晶结构，故不存在晶界这样一些局部显示机械强度小的地方，所以具有高强度、高硬度的特性；原子是无序超密结构，所以电阻率高，使之制成器件工作时铁损小；无磁晶各向异性，对外部磁场变化敏感，所以检测磁变化灵敏度高：由于不存在结晶缺陷、晶界，所以耐蚀性好。

文章编号:100622793(2002)0420056203Zr基大块非晶合金的制备及力学性能①孙剑飞1,2,陈德明1,沈　军2,梁立孚1,刘殿魁1(11哈尔滨工程大学,哈尔滨　150001;21哈尔滨工业大学,哈尔滨　150001)摘要:采用石墨坩埚电弧熔炼法制备了直径20mm、长90mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5大块非晶合金;利用DSC和DTA测试了不同升温速度下非晶合金过冷液相区ΔT x和约化玻璃温度T r,分析了约化玻璃温度T r值与非晶形成能力间的关系;力学性能测试结果表明,该非晶合金具有远高于相关晶态金属的抗拉强度(1808MPa)、抗弯强度(3700MPa)、维氏硬度(580)以及良好的弹性(E=98GPa),并从微观结构角度对非晶态合金的优异性能机制进行了初步分析。

关键词:大块非晶合金+;制备;约化玻璃温度+;力学性能中图分类号:TG14 文献标识码:APreparation and mechanical properties of Z r41.2Ti13.8 Cu12.5Ni10B e22.5bulk amorphous alloySUN Jian2fei1,2,CHEN De2ming1,SHEN J un2, L IAN G Li2fu1,L IU Dian2kui1∥11Harbin Engineering U2 niversity,Harbin　150001,China;21Harbin Institute of Tech2 nology,Harbin150001,China1Abstract:Bulk amorphous Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5alloy up to 20mm in diameter and90mm in length was prepared successfuly by using graphite crucible in arc melting process1Thermal analysis with DSC and DTA was made to show the effect of heating rate on supercooled liquid regionΔT x and the relationship between reduced glass transition temperature T r and glass forming ability of alloys illustrated1Tests of mechanical properties for the bulk amorphous alloys show high tensile strength(1808MPa),high flexural strength(3700MPa),high Vickers2hardness(580)and good elas2 ticity(E=98GPa)1The mechanism governing the excellent prop2 erties from the point of view of microstructure is analyzed1K ey w ords:bulk amorphous alloy+;preparation;reduced glass transition temperature+;mechanical property1　引言大块非晶合金因其独特的微观结构,具有晶态合金所无法比拟的机械性能,如高强度、高硬度、高弹性、高的断裂韧性与耐蚀、耐磨性,在航天、航空领域具有巨大的潜在应用前景。

块体非晶合金材料的性能、应用以及展望引言：非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。

固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。

与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。

一、非晶合金的发展历程自1960 年加州理工学院的P.Duwez 小组采用液态喷雾淬冷法以106K/s 的冷却速率从液态急冷获得Au-Si 非晶合金以来，人们主要通过提高冷却速度的方法来获得非晶态结构。

由于受到高的临界冷却速率的限制，只能获得低维的非晶材料（非晶粉、丝、薄带等），这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。

20 世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学（Tohoku University）的T.Masumoto 和A.Inoue 等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金系列，如Mg-TM-Ln，Ln-AI-TM，Zr-AI-TM，Hf-AITM ，Ti-Zr-TM（Ln 为铡系元素，TM 为过渡族元素）。

1993 年W.L.Johnson 等人发现了具有临界冷却速率低达1K/s 的Zr 基大块非晶合金。

经过二十多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别，现在已经有6 个体系（锆基: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5， Zr55Al10Ni5Cu30；铂基：Pd40Cu30Ni10P20；钇基：Y36Sc20Al24Co20；钯基：Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5；镁基：Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11）临界尺度达到了20mm。

对非晶态的大量研究表明，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能以及磁性能。

鉴于大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能以及在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，大块非晶合金的研制就具有重要的技术和经济价值，是一个具有广阔发展前景的研究领域。

浅谈大块非晶的研究概况作者：李欣来源：《职业》2011年第13期摘要：大块非晶合金材料由于没有晶体的各向异性的特殊结构，因而具有优异的性能以及广阔的应用。

本文分析了大块非晶的研究意义，列举了大块非晶研究的成果以及目前的状况，并指出了大块非晶在理论研究和实际应用中亟待解决的问题。

关键词：大块非晶合金非晶形成机制非晶合金性能大块非晶合金材料是近年来采用现代冶金技术合成的一种具有特殊性能的新型先进金属材料。

与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料。

从1988年首次用普通铸造方法成功获得大块非晶合金以来，短短的十几年对大块非晶合金的研究和开发，从完全非晶到非晶/纳米晶复合，到非晶/强化相复合，再到当今的非晶/强化相/纳米晶复合，发展极其迅速且成果累累，所以大块非晶及其晶化的研究仍然是21世纪世界各国科学家的热门课题。

一、对大块非晶的研究在理论和应用上都有重要意义首先，大块非晶体系是一些全新的多组元体系，其合金熔体具有极大的热力学过冷度，过冷液体的动力学行为类似于氧化物玻璃，这使得人们重新思考传统的非晶形成理论。

其次，大块非晶合金大都具有明显的玻璃转变和宽的过冷液相区，这为深入研究非晶合金的玻璃转变特征和过冷液态的结构和物性提供了理想材料。

在应用上，由于非晶合金具有独特的无序结构，兼有一般金属和玻璃的特性，因而具有独特的物理化学和力学性能，适合于制造电子器件、磁性器件等，在航天航空、汽车、精密制造等领域有着广泛的应用前景。

历史上首次报道的成功制备出的非晶合金是在1934年由Kmer用蒸发沉积的方法获得的。

作为一个全新的事物以及当时实验条件的限制，人们对它的认识还比较模糊。

1954年Buckel用真空镀膜法制出Bi-Ga超导非晶薄膜。

至此对非晶的研究已激发了许多材料工作者的极大兴趣。

关键性的突破是在1969年H.S.Chen等用轧辊法一次可以做出供实验研究的非晶薄带，厚约30pm，宽几个mm，长可达几十米。

非晶合金材料发展趋势及启示摘要：金属材料的发展与人类文明和进步息息相关。

非晶合金材料是一类原子结构长程无序，具有独特优异性能的新型金属材料。

近年来，非晶合金材料的研发、相关科学问题的研究、在高新技术领域的应用得到快速发展，并对金属材料的设计和研发、结构材料、绿色节能材料、磁性材料、催化材料、信息材料等领域产生深刻的影响。

为此，文章在回顾非晶合金材料研究和研发历史过程的基础上，分析了当前其学科的前沿科学问题、发展方向，以及我国在该领域发展的问题、机遇和挑战，并提出相应的启示和建议，以期为加快新金属材料的发展，特别是在高新技术领域的应用提供管窥之见。

金属材料与人类万年文明发展史息息相关，金属材料的开发和使用，往往成为划分人类不同文明时代的里程碑，如青铜时代、铁器时代、钢铁时代等。

每次金属材料的发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。

非晶合金是近几十年来通过现代冶金新技术——快速凝固技术和熵调控理念——抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的一类新型金属材料，也称金属玻璃，或液态金属。

这种材料是通过调制材料结构“序”或“熵”这一全新途径和理念而合成的，兼具玻璃、金属、固体、液体等物质特性的新金属材料；其颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路（图1），突破金属材料原子结构有序的固有概念，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度，改变了古老金属结构材料的面貌。

非晶、高熵等无序合金在基础研究和技术应用中已表现出重要意义和战略价值，在能源、信息、环保节能、航空航天、医疗卫生和国防等高新技术领域发挥着愈加重要作用。

无序合金领域的基础研究将继续推动材料科技革命和对材料行为的更深入理解，并能产生新的材料设备和系统。

图1非晶合金等无序材料探索途径和传统晶态材料探索途径的比较1非晶合金材料的研发态势及进展1.1非晶合金研发态势非晶合金材料的研发出现过4次高峰，已研发出铁、铜、锆和稀土基等近百种非晶合金体系。

非晶材料超塑性研究进展1.引言20世纪90年代美国和日本科学家开始制备出大块非晶合金,经过世界上许多科学家的努力,相继开发出如Fe,Co,Zr,Ni,Mg,Pd,Ti,Cu,Nd,La等多种大块非晶合金材料系列,而且所获得的非晶合金尺寸和临界冷却速度也更具有实用意义。

与晶态合金相比,非晶合金在强度、硬度、冲击断裂性能以及耐腐蚀性等方面更具明显的优势。

非晶态合金在结构上具有长程无序、短程有序和各向同性的特点, 其原子在空间排列上不具有周期性和平移性, 不存在晶态合金所特有的各种晶体缺陷。

与相同或相似成分的晶态合金相比, 非晶态合金往往具有优异的力学性能、化学性能和电磁性能。

自1990 年以来, 随着非晶形成理论的发展, 尤其是Inoue 提出了形成大块非晶合金的三条经验准则后, 材料科学工作者突破了制备非晶合金需要极高临界冷却速率的局限, 依靠合金体系各个组元的合理配比而使合金体系具有很强的非晶形成能力,从而改变了传统非晶合金只能以薄片、薄带、细丝、粉末等低维形状出现的状态, 使得大尺寸的非晶合金的制备成为现实。

目前, 人们已经在Mg 基、La 基、Zr 基、Ti 基、Fe 基、Co 基、Ni 基、Cu 基等多个合金系中开发出临界冷却速率小于1000K·s- 1 的大块非晶形成体系。

这些合金系可以用铜模铸造法制备出直径大于1mm 的全非晶制品, 其最大直径可达72mm 左右 , 这使得大块非晶合金成为一类极具应用前景的工程材料。

大块非晶合金在室温下具有非常高的断裂强度、大的弹性极限, 但它的室温塑性很低, 延伸率几乎为零 , 然而, 在过冷液相区间内, 它却具有非常好的超塑性性能, 与常规晶态合金的超塑性变形一样, 呈现大延伸、低应力及易成形等特性。

如Φ115mm 的La2Al2Ni 非晶试样的延伸率可达15000 %。

随着试样断面尺寸的增加, 延伸率也随之增加。

当直径为5mm 时, 延伸率可达到106%。

非晶合金发展历史
非晶合金是一种材料，相比普通合金，它的结晶度较低，具有更高的硬度和强度，这种新型合金的发现历史可追溯到50年代。

1. 随着科技技术的不断发展，人们对高强度材料的需求也越来越多，然而许多普通合金均难以满足这样的需求。

2. 在20世纪50年代，一些研究人员开始关注非晶态材料，他们希望通过使金属块或合金在快速冷却过程中进行淬火，产生非晶态来提高材料的性能。

3. 20世纪60年代，美国贝尔实验室的卡尔·文茨发现，淬火过程中的金属液体可以通过快速冷却来形成无定形的非晶态合金。

此后，大量的研究开始在这个领域进行。

4. 非晶态合金的制备方式是在高温下将元素混合并制成液态合金，然后迅速冷却以避免结晶。

5. 到了20世纪80年代，龙源期刊公司首次对该材料进行评价，认为非晶态合金具有高硬度、优异的磁性、弹性以及导电性能，而且不受孔隙及改性的影响。

这意味着非晶态合金可作为一种新型材料来满足高强度材料的需求。

6. 90年代初以后，非晶态合金逐渐应用于各个行业领域，例如电子技术、医学、化学、航空航天等，取得了良好的效果。

7. 到了21世纪，非晶态合金材料的制备技术已不断改进，而且不断出现与之相关的新技术。

例如，近年来的纳米复合材料研究提高了非晶态合金的力学性能，发展了新的领域。

总的来说，非晶态合金是一种颇有发展前景的新型材料，它的发展历史可以追溯到50年代。

在未来，它的应用将在更多领域发挥其强大的优势。

非晶合金的发展与应用学校：班级：学号：姓名：指导教师：日期：目录目录 2一、非晶合金简介 2二、非晶合金的发展历史 2三、非晶形成的控制因素 33.1 非晶形成的热力学因素 33.2非晶形成的动力学因素33.3非晶形成的结构学因素3四、大块非晶合金制备方法 34.1液相急冷法 34.2气相沉积法 44.3化学溶液反应法 44.4固相反应法 4五、非晶合金制备工艺技术 45.1铜模吸铸法 55.2粉末冶金技术55.3熔体水淬法 55.4压铸法 55.5非晶条带直接复合爆炸焊接55.6定向凝固铸造法 55.7磁悬浮熔炼铜模冷却法55.8固态反应5六、非晶合金性能 66.1大块非晶合金的机械性能 66.2非晶合金优秀的耐蚀性6七、非晶合金应用实例 6八、参考文献7一、非晶合金简介非晶态合金又称金属玻璃，具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征。

固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。

与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。

块体非晶合金材料的迅速发展，为材料科研工作者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨大的开拓空间。

二、非晶合金的发展历史1959年，美国加州理工大学Duwez在研究晶体结构和化合价完全不同的两个元素能否形成固溶体时，偶然发现了Au70-Si30 非晶合金。

1969年陈鹤寿等将含有贵金属元素Pd的具有较高非晶形成能力的合金(Pd-Au-Si,Pd-Ag-Si等)，通过B2O3反复除杂精炼，得到了直径1mm的球状非晶合金样品。

1989年日木东北大学的Inoue等通过水淬法和铜模铸造法制备出毫米级的La-AI-Ni大块非晶合金，随后Zr基非晶合金体系也相继问世。

20世纪90年代以来，人们在大块非晶合金制备方而取得了突破性进展。

Inoue等成功地制备了Mg-Y-(Cu, Ni), La-AI-Ni-Cu, Zr-AI-Ni-Cu等非晶形成能力很高，直径为1一10 mm的棒，条状大块非晶态合金。

大块非晶合金的研究进展大块非晶合金的研究进展摘要本文简述了大块非晶合金的发展过程和该领域的最新研究进展,并从成分结构条件、热力学条件、动力学条件等方面阐述了大块非晶合金的形成机制,介绍了目前常用的制备方法、大块非晶合金优异的性能和应用前景.关键词大块非晶合金，形成机制，制备，性能，应用THE RESEARCH PROGRESS OF BULK METALLIK GLASSESABSTRACT The development history and the research status of bulk amorphous alloys are int roduced ,and method of preparation is discussed in detail1 The forming mechanisms in terms of st ructure , thermodynamics and kinetics are described. The good properties and application of the bulk amorphous materials are also summarized.KEY WORDS bulk amorphous alloys，forming mechanisms，preparation，properties , application大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、薄带等) 而言的,具有较大的三维几何尺寸。

固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列,表现为短程有序、长程无序,呈亚稳态结构,而且在一定温度范围内还可以相对稳定地保持这种结构。

大块非晶合金是一种高性能的结构材料,也是极具潜力的功能材料。

1 大块非晶合金的发展历程关于非晶态合金的首次报道是在1938 年,Kramen 通过蒸发沉积在玻璃冷基底上发现了非晶态金属薄膜[1 ,2 ]；1951年,Brenner 等用电沉积法制备出了Ni-P 及Co-P 非晶合金,主要用于做耐磨和耐腐蚀涂层;1958 年, Tumbull 等人通过对氧化物玻璃、陶瓷玻璃和金属玻璃的相似性的分析,确定了液态过冷对非晶形成的影响,预言了合成非晶的可能性,揭开了非晶研究的序幕；1960 年,Duwez 等采用熔体急冷法首先制得了Au70 Si30非晶薄带,由于他从工艺上突破了制备非晶态金属和合金的方法,因而标志着非晶态合金这一新材料研究领域的启动。