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非晶態合金,分為有序結構和無序結構兩大類。晶體是典型的有序結構,而氣體、液體和非晶態固體屬於無序結構。非晶態固體材料又包括非晶態無機材料(如玻璃)、非晶態聚合物和非晶態合金(又稱金屬玻璃)等類型。

概述

非晶態合金, 自然界的各種物質的微觀結構可以按其組成原子的排列狀態分為兩大類:有序結構和無序結構。晶體是典型的有序結構,而氣體、液體和非晶態固體屬於無序結構。非晶態固體材料又包括非晶態無機材料(如玻璃)、非晶態聚合物和非晶態合金(又稱金屬玻璃)等類型。

1 非晶態合金 -簡介


  amorphous state alloy
一種沒有原子三維周期性排列的金屬或合金固體。
它在超過幾個原子間距範圍以外,不具有長程有序的晶體點陣排列。
和普通晶態金屬與合金相比,非晶態金屬與合金具有較高的強度、良好的磁學性能和抗腐蝕性能等,通常又稱之為金屬玻璃或玻璃態合金。可部分替代硅鋼、玻莫合金和鐵氧體等軟磁材料,且綜合性能高於這些材料。

2 非晶態合金 -材料分類


  在日常生活中人們接觸的材料一般有兩種:一種是晶態材料,另一種是非晶態材料。所謂晶態材料,是指材料內部的原子排列遵循一定的規律。反之,內部原子排列處於無規則狀態,則為非晶態材料。象食鹽、寶石等都是晶態材料,而木材、紡織品和玻璃屬非晶態材料。以往我們認識的所有金屬,其內部原子排列有序,都屬於晶態材料。

3 非晶態合金 -金屬能不能產生非晶態

 

  金屬能不能產生非晶態呢?這一直是近代科學家著重破譯的一道難題。科學家發現,金屬在熔化后,內部原子處於活躍狀態。一但金屬開始冷卻,原子就會隨著溫度的下降,而慢慢地按照一定的晶態規律有序地排列起來,形成晶體。如果冷卻過程很快,原子還來不及重新排列就被凝固住了,由此就產生了非晶態合金。可見,產生非晶態合金的技術關鍵之一,就是如何快速冷卻的問題。 製備非晶態合金採用的正是一種快速凝固的工藝。將處於熔融狀態的高溫鋼水噴射到高速旋轉的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻,僅用千分之一秒的時間就將1300℃的鋼水降到200℃以下,形成非晶帶材。 發達國家對非晶合金製造技術一直嚴格實施技術封鎖。中國科學家歷經近二十年的不懈努力,終於在「九五」期間,實現了在製備非晶態合金領域的技術跨越,掌握了具有自主知識產權的核心技術。並在非晶態合金產業化方面取得了突破性的進展,形成了年產4000噸的產業規模。填補了中國冶金工業中的一項技術空白。 非晶態合金與晶態合金相比,在物理性能、化學性能和機械性能方面都發生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態合金為例,它具有高飽和磁感應強度和低損耗的特點。現代工業多用它製造配電變壓器鐵芯。 目前中國已能夠根據市場需要,生產不同規格的非晶帶材,亮度可達220mm。這種非晶態合金製造的變壓器與傳統的硅鋼鐵芯的變壓器相比,空載損耗要降低60%~80%,具有明顯的節能效果。如果把中國現有的配電變壓器全部換成非晶態合金變壓器,那麼每年可為國家節約電90億千瓦小時,這就意味著,每年可以少建一座100萬千瓦火力發電廠,減少燃煤364萬噸,減少二氧化碳等廢氣排放900多萬立方米。從這個意義上講,非晶態合金被人們譽為「綠色材料」。 此外非晶態合金材料,還被廣泛地應用於電子、航空、航天、機械、微電子等眾多領域中,例如,用於航空航天領域,可以減輕電源、設備重量,增加有效載荷。用於民用電力、電子設備,可大大縮小電源體積,提高效率,增強抗干擾能力。微型鐵芯可大量應用於綜合業務數字網ISDN中的變壓器。非晶條帶用來製造超級市場和圖書館防盜系統的感測器標籤。非晶合金神奇的功效,具有廣闊的市場前景。在第十個五年計劃期間:中國的科技工作者必將在非晶態合金技術領域做出更加令世人矚目的貢獻。

4 非晶態合金 -非晶態合金的結構特點

 

  原子在三維空間呈拓撲無序狀排列,不存在長程周期性,但在幾個原子間距的範圍內,原子的排列仍然有著一定的規律,因此可以認為非晶態合金的原子結構為「長程無序,短程有序」。通常定義非晶態合金的短程有序區小於1.5nm,即不超過4-5個原子間距,從而與納米晶或微晶相區別=短程有序可分為化學短程有序和拓撲短程有序兩類。

(1)化學短程有序

  非晶態金屬至少含有兩個組元,除了不同類原子的尺度差別、穩定相結構和原子長程遷移率等因素以外,不同類原子之間的原子作用力在非晶態合金的形成過程中起著重要作用。化學短程有序的影響通常只局限於最近鄰原子,因此一般用最近鄰組分與平均值之差作為化學短程有序參數,對於二元A-B體系為[8]
up=1—ZAB/(ZcB)=1—ZBA/(ZcA)
其中ZAu和ZuA分別代表A(或B)原子近鄰的B(或A)原子配位數,Z是原子總配位數。cA和cu分別是A與B原子在合金中的平均濃度。當A和B兩種原子直徑明顯不同時,A原子的總本位數ZA與B原子的總配位數Zi3不再相同,ZA≠Ze,這時短程有序另一種定義[9]:

(2)拓撲短程有序

  指圍繞某一原子的局域結構的短程有序。常用幾種不同的結構參數描述非晶態與合金的結構特徵,主要有原子分佈函數、干涉函數、最近鄰原子距離與配位數和質量密度。
8.1.1.2原子分佈函數
設非晶態結構是各向同性的均勻結構,其平均原子密度Po為——定體積y中包含的原子數N:
Po=N/V
描述某一原子附近的密度變化可用徑向分佈函數RDF(r):
RDF(r)=4*3.14xr2p(r)
其中r是距某中心原子的距離,p(r)是距離r處的密度,由上式可知,RDF(r)dr代表以某個原子為中心,在半徑r處、厚度為dr的球殼內的原子數,從而RDF(r)=dN/dr表示原子數目(密度)隨距離增加的變化。
定義約化徑向分佈函數G(r)為:
G(r)=4x3.14*r[p(r)—po]
幾種過渡金屬—類金屬非晶態合金的約化徑向分佈函數如圖8-1所示,函數值隨著與中心原子的距離增大而呈有規律的起伏。此外,還定義雙體分佈函數g(r):
z(r)=p(r)/p。
當合金中包含幾種不同類原子時,引入偏徑向密度函數pii(r)、偏雙體分佈函數GII(r)、偏約化徑向分佈函數GO(r)等參數描述原子之間的結構關係。例如,pji(r)指與某個第i類踩子的距離為r處,單位體積中第j類原子的數目。上述各個原子分佈函數中,原子密度p(r)和原子徑向分佈函數RDF(r)有明確物理意義,G(r)的物理意義雖然不明確,但它同RDF(r)一樣能反映非晶態結構特徵,對體系作x射線衍射測量得到結構因數S(Q),再作傅立葉變換即可獲得G(r),因此它也常被用於表徵非晶態結構。
X射線衍射技術是研究非晶態結構的基本手段。測量非晶結構的干涉散射強度I(Q)和結構因數S(Q)后,經過適當的傅立葉變換就可以得到約化徑向分佈函數G(r)。

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