探究非晶态金属的认知学习

人类进入2l世纪以来，由于科学技术的飞速发展，新兴材料不断得到开发和应用，如超导材料、纳米材料、储氢材料、功能材料、陶瓷材料、复合材料等。作为工业物质基础的材料，这些正发挥着越来越重要的作用。这里介绍一种被誉为“世纪材料”的新型材料——非晶态合金（金属玻璃）。

非晶态金属又可形象地称为金属玻璃（因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃）。对于金属材料来说，通常情况下，金属及其合金在从液体凝固成固体（如钢水凝固成钢锭）时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐排列，即成为晶体。因为只有这样，其结构才最稳定。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（如用每秒高达一百万摄氏度的冷却速率将铁硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金。从理论上说，任何物质只要它的液体冷却速率足够快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非晶。有人根据这一特点又将非晶合金称为“过冷液”。但是，不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态，而单一的金属则需要每秒l亿摄氏度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，普通单一的金属难以从生产上制成非晶。故非晶态金属多为合金，纯的非晶态金属则很少。

非晶态的结构模型如图8-16所示，微晶模型反映了“短程有序，长程无序”的特点，而硬球模型则显示原子无规则排列。目前人们倾向于用硬球模型来讨论非晶态合金。

图8-16　非晶态合金两种模型

非晶态合金

8.3.1 非晶态合金的性能

与晶态合金相比，非晶态合金在物理性能（力、热、电、磁）和化学性能等方面都发生了显著的变化。而几乎所有的这些特性都可以进一步挖掘和利用，给我们带来科学的、经济的和社会的利益和价值。

1.力学性能

非晶态合金由于内部无晶界、无位错、无相界，因此抗拉强度比一般的金属材料都高。比如，非晶态合金Fe80B20（下标表示组成原子的百分比），其抗拉断裂强度高达3600 MPa，而Fe72Cr8P13C7，更是达到3800 MPa（超高强度钢的抗拉强度为1400～3000 MPa），是一般普通结构钢的7倍，已经接近晶须（由高纯度单晶生长而成的微纳米级的短纤维，其机械强度等于邻接原子间力产生的强度）的水平。特别指出的是，非晶态合金在保持高强度的同时，还具有高的韧性。如Fe80Si20非晶态合金，当断裂强度为2600 MPa时，仍可进行30%～50%的冷轧。

2.磁 性

磁性分硬磁性（磁化后能长久保持磁性，不容易失去磁性）和软磁性（具有低矫顽力和高磁导率，易于磁化，也易于退磁）。硬磁性材料主要用来制作永久磁铁，而软磁材料主要用来制造电力变压器铁心、电器的磁性元件等。非晶态合金具有优良的软磁性，备受人们的重视和研究，已经成功地应用在电力和电器工业之中，是制作变压器铁心和电器磁性元件的理想材料。

3.耐腐蚀性

耐腐蚀也是非晶态合金的突出优点。如含Cr量大于等于3%的非晶态合金耐腐蚀性能大大优于晶态合金。当含Cr量大于等于8%后，非晶态合金已接近完全不腐蚀，如非晶态合金Fe-CrxP13C7（x＞8）。日本有人制作出一种非晶态合金，据报道，其耐腐蚀性超过不锈钢10 000倍，可以抵御任何酸、碱的腐蚀。(www.xing528.com)

8.3.2 非晶态合金的应用

由于非晶态合金在软磁性、耐腐蚀性、耐磨性等方面具有独特的性能，因此应用前景广阔，目前已经应用在许多行业，应用示例如图8-17所示。

图8-17　非晶态合金应用示例

1.电器行业

非晶态合金作为漏电保护器中的电流互感器铁心，大大提高了漏电保护器的灵敏度和互感器的平衡特性，工作温度稳定性好。而且产品成本低，节约了制造成本。

另外，非晶态合金一般硬度很高，多为600～1300 HV，因此用它制作录音机、录像机的磁头等耐磨件，使用寿命会大大延长。有人做过实验，运行1000 h后，非晶态合金磁头的磨损量是铁硅铝磁头的2/3，坡莫合金磁头的1/3。日本早已生产出了非晶态合金磁头，大受市场的欢迎。

非晶态合金也应用在电源开关上。由于电源开关上有很多磁性元件，如高频功率变压器、驱动变压器、尖峰信号限制器等，非晶态合金应用后，可促进电源开关的高频化和小型化。

2.电力行业

磁性研究是非晶态合金最活跃的领域。非晶态合金取代传统的硅钢片作为变压器的铁心，铁心损耗大大下降，仅为硅钢片的几分之一，可降低60%～80%的损耗。铁心发热温度很低（仅10 °C左右，而硅钢片铁芯发热有几十度），节电效果非常显著，而且体积可缩小30%～40%（省去变压器油冷却系统），这是目前应用最成功的领域。美国、日本已经投入了非晶态合金铁心的变压器商业生产。美国早已在1986年就开始生产非晶态合金铁心变压器，20世纪90年代中期就形成年产10万台变压器的能力。日本在20世纪90年代中期用美国进口的非晶态合金材料建成了年产3万台的非晶态合金铁心变压器的生产线。

3.军事应用

化学镀Ni非晶态合金镀层，经过热处理后硬度可达到1000～1200 HV，耐磨、耐腐蚀，抗热冲击性好，结合力强，镀层内应力小，各种性能优于硬铬镀层，用于枪、炮管内膛镀层上。在坦克、装甲车发动机的气缸套、活塞顶面镀上Ni-P非晶态合金，耐磨、耐热、抗热烧蚀。同时，它还可以应用在齿轮、凸轮轴和排气门座上。

4.化工行业

非晶态合金还具有优异的化学性能，研究表明，非晶态合金对某些化学反应具有明显的催化作 用，可以用作化工催化剂；某种非晶态合金通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作储氢材料。由于没有晶粒和晶界，非晶态合金比晶态合金更加耐腐蚀，因此，它可以成为化工、海洋等一些易腐蚀的环境中应用设备的首选材料。