非晶态合金的性能与应用

非晶态合金的性能与应用非晶态合金的性能•非晶中原子有较强的键合，特别是金属-类金属非晶中原子键合比一般晶态合金强得多；•非晶合金中原子排列长程无序，缺乏周期性，合金受力时不会产生滑移。•非晶合金具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是强度最高的实用材料之一。强度、硬度和刚度高强度非晶材料金属玻璃的强度、硬度和弹性模量合金屈服强度/GPa断裂强度/GPa硬度Hv/MPa弹性模量/GPaNi36Fe32Cr14P12B62.73/8.63141Ni40Fe20P14B4Si22.352.387.77129Fe80P16C1B12.44/8.19135Fe80Si10B102.91/8.13158Fe80P13C72.303.047.45122Fe80B203.63/10.79166Co77.5Si12.5B103.58/11.2190Ni60Nb401.93/8.82125Cu50Zr501.80/5.6883.5•一些非晶合金的强度甚至超过了高强度马氏体时效钢(σs约2GPa)，强度最高的Fe80B20的屈服强度与经过冷拉的钢丝差不多。•金属玻璃具有很好的室温强度和硬度的同时，也具有很好的耐磨性能，在相同的试验条件下磨损速度与WCrCo耐磨合金差不多。韧性和延性•非晶合金不仅具有很高的强度和硬度，与脆性的无机玻璃截然不同，还具有很好的韧性，并且在一定的受力条件下还具有较好的延性。•Fe80B20非晶合金的断裂韧性可达12MPa.m-1/2，这比强度相近的其它材料的韧性高得多，比石英玻璃的断裂韧性约高二个数量级。柔韧的非晶材料在一定温度范围内，弹性模量随温度的变化极小。许多非晶态铁基合金由于大的自发体积磁致伸缩导致其弹性模量的变化，形成△E效应，即艾林瓦特性。使其在室温附近，弹性模量和剪切弹性模量不随温度而变化。艾林瓦(Elinvar)特性弹性模量和温度的关系右图是弹性模量和温度的关系图，可以看出，Fe79B21、Fe80B20、Fe82B18、Fe83B17、Fe85B15、Fe86B14合金在Tc温度下，E几乎不随温度变化，硼摩尔分数为15％~18％的合金，E的温度系数几乎为零。由于非晶合金的亚稳性质，其弹性模量△E＝E0-ET随时间不断下降，相当长时间后达到稳定(未老化)。•金属玻璃的塑性与外力方向有关，处于压缩、剪切、弯曲状态时，金属玻璃具有很好的延性，非晶合金的压缩延伸率可达40％，轧制时压下率为50％以上也不会产生断裂，薄带对弯至180度一般也不会断裂。•金属玻璃在拉伸应力条件下的延伸率很低，一般只有约0.1%。•非晶合金的弹性模量比晶态合金略低。•非晶合金在外力作用下应变不均勾，受疲劳应力作用时疲劳裂纹容易形核，疲劳寿命较低。•非晶是一种短程有序密排结构，与长程有序的晶态密排结构相比，非晶合金的密度一般比成分相近的晶态合金低1-2％。Fe88B12合金在晶态时密度为7.52g/cm3，在非晶态时密度为7.45g/cm3。•非晶合金具有很高强度、硬度、耐磨性能和韧性，在弯曲、压缩状态时有很好的延性，但拉伸延性、疲劳强度很低，所以一般不能单独用作结构材料。许多成分的金属玻璃经适当晶化处理后，综合力学性能会有很大提高。密度热学性能•非晶态合金处于亚稳态，是温度敏感材料。•如果材料的晶化温度较低，非晶态合金更不稳定，有些甚至在室温时就会发生转变。非晶的热处理•（因瓦(Invar)效应）金属玻璃在相当宽的温度范围内，都显示出很低的热膨胀系数，并且经过适当的热处理，还可进一步降低非晶合金在室温下的热膨胀系数。非晶合金-195℃--100℃-100℃-0℃0℃-50℃50℃-100℃100℃-200℃200℃-300℃Fe72Co18Zr10(300℃×1慢冷)3.20.120.120.120.120.12Fe72Ni18Zr10(急冷状态)8.00.10-0.15-0.15-0.15-0.25Fe68Co17V5Zr10(急冷状态)4.80.11000-1.1几种非晶合金的热膨胀系数(10-6/℃)电学性能•非晶具有长程无序结构，在金属-类金属非晶合金中含有较多的类金属元素，对电子有较强的散射。•非晶合金一般具有较高的电阻率，是相同成分晶态合金电阻率的2-3倍，电阻温度系数比晶态合金小。合金电阻率(μΩ.cm)电阻温度系数(10-6/K)晶态Cu1.724330Cu55Ni4549.0—Ni80Cr2010370非晶态Cu77Ag8P15136-120Ni68Si15B171520Cu0.6Zr0.4350-90某些晶态及非晶态合金的电阻率和电阻温度系数•许多非晶(如Nb-Si，Mo-Si-B、Ti-Nb-Si、W-Si-B等)在低于临界转变温度时还具有超导性能。•在非晶中形成弥散的第二相也可使临界温度、电流密度等超导性能得到提高。•Zr65Nb15B20非晶合金经适当退火产生部分晶化，在基体上形成许多微小晶粒，合金超导临界温度提高2倍。•具有超导性能的非晶合金可制成具有良好力学性能的薄带，为开展超导研究和应用研究提供有利条件。磁学性能•部分非晶合金具有良好的铁磁性能。•非晶合金中没有晶界，一般也没有沉淀相粒子等障碍对磁畴壁的钉扎，所以非晶合金很容易磁化，矫顽力极低。•金属玻璃经部分晶化后产生的极细晶粒可作为磁畴壁非均匀形核媒质，细化磁畴，获得比晶态软磁合分更好的高频(＜100kHz)软磁性能。•某些铁基非晶合金(例如Co-Fe-B-Si)在很大频率范围内都具有很高的磁导率。某些非晶态合金的软磁特性合金处理条件矫顽力(A/m)最大磁导率剩磁(T)磁致伸缩系数Fe80B20磁场退火3.1832.0×1041.23—Fe40Ni40P14B6去应力退火0.6487.5×1040.70—Fe80P13C7磁场退火1.4318.0×1041.3—Fe4.7Co70.3Si15B10熔体急冷1.0418.1×1040.23-0.1×10-6Co75Si15B10熔体急冷2.393.0×1040.2-3×10-6•一些非晶永磁合金在经部分晶化处理后永磁性能会产生很大提高。•许多铁基稀土非晶合金晶化后，矫顽力可增加2-3个数量级以上，具有很好的永磁性能。•NdFeB非晶合金经过晶化热处理并控制形变织构方向后，最大磁能积达到55MGOe，是目前永磁合金磁能积能达到的最高水平之一。化学性能•非晶中没有晶界、沉淀相相界、位错等容易引起局部腐蚀的部位，也不存在晶态合金容易出现的成分偏析，所以非晶合金在结构和成分上都比晶态合金更均匀，具有更高的抗腐蚀性能。•含Cr的铁基、Co基和镍基金属玻璃，特别是其中含有P等类金属元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐蚀能力。P的作用是促进防腐蚀薄膜形成；Cr作用是形成防腐蚀保护膜。非晶态合金和晶态不锈钢在10%FeCl2-10H2O溶液中的腐蚀速率试样腐蚀速率(mm/年)40℃60℃晶态不锈钢18Cr-40Ni17.75120.0晶态不锈钢17Cr-14Ni-2.5Mo——29.24非晶态合金Fe70Cr10P13C70.000.00非晶态合金Fe65Cr10Ni5P13C70.000.00非晶态金属表面能高，可以连续改变成分，具有明显的催化性能。作为催化剂被应用始于20世纪80年代。非晶态金属催化剂主要应用于催化剂加氢、催化脱氢、催化氧化及电催化反应等。触媒剂在化学工业中具有相当重要的地位，高效率的触媒剂对化学工业生产效率的提高、能源的节约以及新化工产品的产生起着重要的作用。不同的化学反应要求特定的触媒剂，非晶态合金具有传统材料无法比拟的优异触媒性能。催化性能贮氢性能•非晶态金属还具有优良的贮氢性能。某些非晶态金属通过化学反应可以吸收和释放出氢，可以用作贮氢材料。一些非晶态合金具有优良的贮氢性能，贮氢后非晶态的结构也相当稳定，但原子间距膨胀。有些非晶态金属由于吸氢后转变成为晶态，这是由于氢化物形成是放热反应，非晶合金吸氢时，由于发热而升温产生晶化。非晶态金属的吸氢量是随氢原子能占据的场所的数目以及易产生氢化物的元素含量的增加而增加。根据这个道理，若在氢原子能占据的场所填入了类金属元素的原子，那么将不能贮氢。如在TiNi合金中添加硼、硅时，吸氢量减少。金属材料的光学特性受其金属原子的电子状态所支配，某些非晶态金属由于其特殊的电子状态而其有十分优异的对太阳光能的吸收能力。所以利用某些非晶态材料能够制造出相当理想的高效率的太阳能吸收器。非晶态金属具有良好的抗辐射（中子、γ射线等）能力，使其在火箭、宇航、核反应堆、受控热核反应等领域具有良好的应用前景。光学性能非晶合金的应用非晶软磁元件大功率变压器总希望使用磁感应强度高、矫顽力低，损耗小的材料。变压器用量特别大，还必须要求原材料成本低。此外，还要求使用的材料延展性好，加工容易、尺寸精度高、层间绝缘性好、耐腐蚀性强。变压器大功率变压器•非晶合金的矫顽力很低，外场作用下十分容易磁化；同时非晶合金具有很高的电阻，可以明显降低涡流损失。•金属玻璃用作低频(50-60Hz)磁芯时的磁芯损耗根低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等铁基非晶合金的磁芯损耗只有常用硅钢片的1/3-l/5，而饱和磁感应强度等磁学性能与硅钢片相近，•非晶软磁合金的主要用途是取代晶态硅钢制作各种类型的变压器。•非晶磁性合金的应用不仅可减少能量损失，还可以在额定功率一定时，减轻变压器的重景和减小变压器的尺寸。变压器用非晶铁芯非晶变压器•Fe基非晶合金与坡莫合金制成的开关变压器的性能比较，非晶变压器的体积、重量明显下降，温升降低，成本减少50％以上。铁芯材料输出功率/W铁芯规格/mm铁芯重量/g变压器重量/g变压器体积/cm3铁芯温升/℃变压器温升/℃坡莫合金150Φ40×50×1566.5273.5146.557.542.5Fe基非晶150Φ25×40×12.549.5167.576.342.533.5Fe基非晶合金与坡莫合金制作的开关变压器的性能磁头•磁头器件要求材料饱和磁感应强度大；在工作频率范围内材料的磁导率高；具有较低矫顽力和较高电阻率；耐磨性和抗蚀能力强；磁性能对加工应力不敏感；热稳定性好等。硬盘读写磁头•用非晶合金作磁头具有下列优点：•无磁晶各向异性：晶态材料的磁晶各向异性使磁导率下降，矫顽力增大，磁滞损耗增加，噪声增大。•电阻率高：这对降低涡流损耗有利。•硬度大，耐磨性好。•耐腐蚀性高：晶态材料的磁性与耐蚀性难以兼得。•容易获得薄带：高频工作时，为减小涡流损耗，希望材料减薄，要求用数微米至数十微米的薄片；对于晶态材料，加工有一定困难，非晶带的厚度一般为20-40μm，很适于录相磁头的工作频带。传感器•非晶合金薄带与丝材具有许多优点，适合各种类型传感器的不同需求：•同时具有高强度和高弹性极限，用非晶合全条带的丝材可直接做成弹性环和弹簧，不需要辅助弹性材料和保护材料，制成的器件可承受很大的拉力，且具有耐磨、耐冲击和耐腐蚀性。•Co基非晶合金的最大磁导率可达106级，是高灵敏度磁性传感器的理想材料。•用非晶带绕成环形磁芯，在直径方向施加很小外力，会使磁芯的磁特性发生显著变化。用这个磁芯构成单磁芯桥式多谐振荡器，可将由应力所产生的磁性能变化转变为直流电压输出，制成高精度应力传感器。应力传感器•非晶Fe82Si6B12条带制成的电磁传感器已用于交通信号自动控制装置中的探头，性能明显优于坡莫合金：电路电压降低一半，激磁电压降低2/3，输出信号增加2倍，作用距离提高1倍。交通信号控制器交通电子眼•用弹性好且耐蚀的FeNi非晶合全制成微型压力传感器，可测微小压强，用作人体肛肠压力测定装置。临床证明具有灵敏度高、体积小、重复性好、耐腐蚀、成本低等优点。微型压力传感器磁场传感器磁分离装置•磁分离是指在磁场作用下将磁性微粒与非磁性微粒加以分离的技术。•磁分离装置大都是在腐蚀性介质中使用，所用材料必须具有良好的聚磁性，耐腐蚀性，高强度，还要考虑过滤效率要高，不易堵塞等问题。磁分离装置•含Cr的Fe基非晶条带与圆丝混合成的过滤器非常适合这种要求。这种软磁性和耐腐蚀性优良的条带和丝材作