探究非晶态合金的性质和应用

非晶态合金（Amorphous Alloy）又称为金属玻璃，虽然早在1930年已利用电解沉积技术获得，但未予重视。直到1959年美国加州理工学院的杜威兹（Duvez）为了获得用一般淬火方法得不到的固溶体，他将Au－Si二元合金从熔化状态喷射到冷的金属板上，经X射线衍射测试发现不是结晶体，而是非晶体。这种方法的冷却速度估计达到1 000 000℃／s以上。在如此高的冷却速度下，金属内部原子来不及作整齐地排列结晶，因而保持熔化状态的无序非晶态。初期杜威兹使用的方法为喷枪法，得到的材料形状不规则，厚薄不均，无实用价值。但利用其高速冷却原理，马丁（Maddin）等人在20世纪60年代末发明轧辊液淬技术，可以获得尺寸均匀的连续非晶态合金条（带），从而开创了非晶态合金大规模生产和应用的新纪元，20世纪70年代非晶态合金正式成为商品。

1）非晶态合金的特性

非晶态合金外观上和金属材料没有任何区别，其结构形态却类似于玻璃，这种杂乱的原子排列状态赋予其一系列特性。

（1）高强度　一些非晶态合金的抗拉强度可达到3 920MPa，维氏硬度可大于9 800 HV，为相应的晶态合金的5～10倍。特别是非晶态合金的弹性模量E和断裂强度σf之比（E／σf），一般晶态合金约为几百，表明材料抗断裂潜力未完全发挥，而非晶态合金只有50左右。

由于非晶态合金内部原子交错排列，因此它的撕裂能较高，虽然伸长率很低，但它在压缩变形时，压缩率可达40%，轧制压缩率可达50%。

（2）优良的软磁性　非晶态合金有高的磁导率和饱和磁感应强度，低的矫顽力和磁损耗。目前使用的硅钢、铁-镍合金或铁氧体为晶态，所以具有磁性各向异性的相互干扰特征，导致磁导率下降，磁损耗大，而软磁合金在这些方面都比较好。目前比较成熟的非晶态软磁合金主要有铁基、铁镍基和钴基三大类。

（3）高耐腐蚀性　在中性盐和酸性溶液中，非晶态合金的耐腐蚀性优于不锈钢。Fe－Cr基非晶态合金在10%FeCl3·10H2O中几乎完全不受腐蚀，而各种成分不锈钢则都有不同程度斑蚀，在Fe－Cr基非晶态合金中Cr的质量分数约为10%，并不含Ni，可大大节约Ni。由于非晶态合金结构为非晶态结构，显微组织均匀，不含位错、晶界等缺陷，因此，腐蚀液“无缝可钻”。同时非晶态结构合金自身的活性很高，能够在表面上迅速形成均匀的钝化膜。(www.xing528.com)

（4）超导电性　目前金属超导材料Nb3Ge，其超导零电阻温度Tc＝23．2K。现有许多超导材料有一个很大的缺点，即质脆、不易加工。1975年，杜威兹发现La－Au非晶态合金具有超导性，以后又发现许多非晶态合金具有超导性，只是超导转变温度Tc还比较低。但与晶体材料相比较，有两个有利因素，其一可将非晶态合金本身制成带状，而且韧度高，弯曲半径小，可以避免加工；其二由于非晶态的成分变化范围大，这为寻求新的超导材料，提高Tc温度提供了更多的途径。

2）非晶态合金的应用

利用非晶态合金的高强度、高韧度，以及工艺上可以制成条（带）或薄片的性质，目前已用它来制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维，还可用来制成各种切削刀具和保安刀片。

用非晶态合金纤维代替硼纤维和碳纤维制造复合材料，可进一步提高复合材料的适应性。硼纤维和碳纤维复合材料的安装孔附近易产生裂纹，而非晶态合金具有高强度，且具有塑性变形能力，可以防止裂纹的产生和扩展，非晶态合金纤维正在用于飞机构架和发动机元件的研制中。

非晶态铁合金是极好的软磁材料，比普通的结晶磁性材料具有磁导率高、损耗小、电阻率大等优点。用硅钢和非晶态合金分别制成15kW变压器所做的对比试验表明，磁芯损耗分别为322W和180W，即非晶态合金的磁耗比硅钢减少一半。这是由于非晶态合金的各向同性，当交变电流变化时，磁化强度在能量上的损耗要比晶态物质的小的缘故。如果电动机也采用非晶态合金制造磁芯，则节能效果将更为显著。易于磁化和高硬度的特点，使非晶态合金也适合用于制造放大器、开关、记忆元件、换能器等部件。非晶态合金厚度一般为20～40μm，电阻率高，非常适应录像磁头的频率范围，可作为良好的磁头材料。

含Cr非晶态合金由于耐腐蚀和点蚀，特别是在氯化物和硫酸盐中的耐蚀性大大超过不锈钢，获得了“超不锈钢”的名称，可以用于海洋和生物医学方面，如制造海上军用飞机电缆、鱼雷、化学滤器、反应容器等。