非晶态金属_在线百科全书查询
非晶态金属
非晶态金属是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。大部分金属材料具有很高的有序结构，原子呈现周期性排列（晶体），表现为平移对称性，或者是旋转对称，镜面对称，角对称（准晶体）等。而与此相反，非晶态金属不具有任何的长程有序结构，但具有短程有序和中程有序（中程有序正在研究中）。一般地，具有这种无序结构的非晶态金属可以从其液体状态直接冷却得到，故又称为“玻璃态”，所以非晶态金属又称为“金属玻璃”或“玻璃态金属”。制备非晶态金属的方法包括：物理气相沉积，固相烧结法，离子辐射法，甩带法和机械法。
简介
一般的金属材料都以晶体形态存在。1960年，美国科学家皮 杜威等首先发现某些贵金属合金（如金-硅合金）在超快速冷却（冷却速度达100万度每秒）情况下可凝固成非晶态合金。
金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形式出现。但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如每秒钟冷却温度大于100万度，则可得到一种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速“冻结”而形成无定形的固体，这称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。从结构上讲非晶态金属与普通玻璃相近见右图
类别
能形成非晶态的合金有两大类；一类是金属之间的合金，典型的有Cu60Zr40、La76Au24、U70Cr30等；另一类是金属与某些非金属（最有效的是B、P、Si）组成的合金，例如Fe80B20、Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等。后一类合金最容易成为非晶态。
优点
除熔体急冷法外，目前制备非晶态合金的实验技术和工业方法有气相沉积法、激光表层熔化法、离子注入法等，较快速、经济是化学沉积法和电沉积法。化学沉积法是利用还原剂使溶液中金属离子有选择地在活化表面上还原析出。用这种方法得到的第一个非晶态合金，是Ni-P合金，这一过程称化学镀镍，作为金属的耐磨耐蚀镀层，现已被广泛应用。
突出特点
是强度和韧性兼具，即强度高而韧性好，一般的金属这两者是相互矛盾的，即强度高而韧性低，或与此相反。其耐磨性也明显地高于钢铁材料。
第二个特点
是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其表面易形成薄而致密的钝化膜；同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷和不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。
第三个特点
是非晶态金属优良的磁学性能；由于其电阻率比一般金属晶体高，可以大大减少涡流损失，低损耗、高磁导，成为引人注目的新型材料。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60-80％，被誉为节能的“绿色材料”。
此外
非晶态金属有明显的催化性能；它还可作为储氢材料。
缺点
但是非晶态合金也有其致命弱点，即其在500度以上时就会发生结晶化过程，因而使材料的使用温度受到限制。制造成本较高也是限制非晶态金属广泛应用的一个重要问题。
区别
又名无定形金属或金属玻璃。它与具有晶体结构的一般金属不同，是一种没有原子的三维周期性排列的金属或合金固体；即在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排布。20世纪30年代前后，已有人采用蒸发或电沉积的方法制备出非晶态金属。但由于实验条件的限制，未能对其非晶态本质及其性能作系统深入的研究。直到1959年，美国的杜威兹 (P.Duwez)等报道了用液态Au81Si19合金直接快速冷却（冷却速率大于106K/s）而获得非晶态固体之后，非晶态金属的研究才广泛开展起来。与普通晶态金属相比，非晶态金属具有较高的强度，良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，因而受到材料科学界和物理学界的重视。 制备方法 最常用的是熔体急冷法，其基本原理是把一薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷基底上，从而达到快速导热、冷却金属的目的（如单辊法、双辊法等）；高的冷却速率 (105～1010K/s)可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的结晶成核和长大，而得到非晶态的固体。制备非晶态金属的其他方法，还有原子凝聚（溅射、蒸发、沉积）和表面非晶化处理（激光表面上釉、离子注入）以及辐射法等（见快冷微晶合金）。
合金成分
形成非晶态的合金，大致可以分为两大类：一种是过渡族金属-类金属系,其类金属的组分约占15～25at％；另一种金属-金属系,其溶质金属的组分一般约占25～50at％。然而，有些超出这个成分范围的合金在急冷下也能形成非晶态的结构。根据计算机模拟结果，甚至纯金属也可用原子沉积法或在大于 1012K/s冷却速率下用熔体急冷法得到非晶态金属。金属合金形成非晶态的难易程度常称之为玻璃形成倾向。它视合金的成分不同，差异很大。从临界冷却速率理论考虑，合金的约化玻璃转变温度Trg(即玻璃转变温度Tg与合金熔化温度Tm之比Tg/Tm)越大，抑制结晶成核长大而形成非晶态所要求的临界冷却速率就越小，也就越容易形成非晶态。绝大多数非晶态合金的Trg都在0.4～0.6范围内，而实际得到的非晶态合金一般也都是在深共晶成分附近或熔点相对较低的合金成分上。从原子尺寸考虑，非晶态合金中两种组元原子半径（r1和r2）之比需满足r1/r2＜0.88,或r1/r2＞1.12的条件。从金属电子论角度出发,把非晶态金属当作近自由电子固体来处理,满足2kF=qp(kF为费密波矢之模，qp为结构因子第一峰的倒易距离)条件的合金成分，所形成的非晶态相比较稳定。
结构模型
大致可以分为二大类：①不连续的,如微晶模型和非晶集团模型,其微晶或非晶集团之间的界面结构，不同于微晶或非晶集团本身；②连续的,即连续随机模型,其结构内部不存在任何边界。而目前较为普遍采用的是属于连续型的硬球随机密堆模型(dense random packing of hard spheres 简称DRPHS)。这个模型最初是1959年由英国人伯纳耳(J.D.Bernal)为液态物质提出的（见液态金属结构）。非晶态金属的结构与液态金属的结构相当接近。实验证实，非晶态金属固体的 X射线衍射对分布函数（对称分布函数）的形状与液态的相似（图1），
都有强的第一第二衍射峰，所不同的是非晶态固体的第二衍射峰存在劈裂现象，以及其无序程度不及液态金属。同时，一些非晶态金属的 X射线径向分布函数（random distribution function）即 RDF（r）与硬球 硬球随机密堆模型有几种可能的拓扑结构(图3)，对于金属-类金属型非晶态金属来讲,其金属原子间空隙被类金属所填充，类金属原子之间不存在最近邻接触（化学短程有序）。然而根据计算结果，所有这些空隙的大小都不足以容纳类金属原子。而类金属原子的填入，多少要使原来基本的随机密堆结构发生一些畸变。此外，由于非晶态金属中各种原子之间存在的作用势而导致不同成分的非晶态金属中类金属原子尺寸不同，从而导出了软球随机密堆 (dense random packingof soft spheres)即DRPSS的概念。至于金属-金属型非晶态金属，虽然实验结果表明其结构与上述的略有不同，然而，其基本结构单元仍然是随机密堆模型的四面体。 非晶态金属结构的实验研究,多采用X射线、电子或中子衍射方法。由衍射结果经数学处理而得到的径向分布函数常被用来描述其原子周围其他原子的统计分布情况，而对分布函数则进一步描述某原子周围同类原子或异类原子的统计分布情况。近年来,穆斯堡尔谱、正电子湮灭、核磁共振以及扩展X射线吸收精细结构(extendedX-ray absorption fine structure)即 EXAFS等新技术已被用于非晶态金属精细结构的研究。
非晶态金属的结构受制备时冷却速率、熔体金属过冷度等多种因素影响。一般来讲，冷却速率愈高，从熔体“冻结”下来的非晶态金属所包含的自由体积就愈多。非晶态金属从热力学上讲是处在非平衡状态，有向更稳定的低能态转变的趋势，发生结构弛豫和晶化。这种过程十分复杂，与成分、原子尺寸、电负性、结合能、位形熵以及材料制备工艺等因素有关。非晶态的结构低温弛豫（即在不改变玻璃态的条件下发生的结构由高能态向低能态的转变）是通过原子排布和化学组分的短程有序的改变来进行的。这种驰豫又可分成可逆的和不可逆的两部分。随着驰豫过程的发生，非晶态金属的许多性质也产生变化。
非晶态金属的晶化 在高于晶化温度下，非晶态金属中的原子发生更大范围的迁移而发生晶化。非晶态金属的晶化过程可以是经过一个或几个亚稳的非晶态或晶态的中间态而转变成稳定晶态相，也可以连续地转变为稳定晶态相。非晶态的晶化反应是一种晶体的形核和长大的过程。视合金成分的不同，它可分为多形型(poly-morphous)、初晶型(primary)和共晶型(eutectic)三类。多形型晶化不发生成分的改变，其开始晶化形成的晶体的成分和非晶态基体相同。初晶型晶化则是某一种成分的晶体首先在非晶态基体上形核长大，通过成分的扩散，然后形成第二种晶体。共晶型晶化则类同于一般金属凝固中发生的共晶反应，也伴随有合金元素的扩散。非晶态金属成分不同，在非晶态基体中所形成的晶体相的自由能不同，则晶化的类型也不同。图4表示了其中三种成分Fe-B合金的典型的晶化反应方式。成分Fe86B14的晶化是以α-Fe晶体的析出开始,属于初晶型晶化方式；成分Fe80B20的晶化是以α-Fe+Fe3B共晶方式进行;而成分Fe75B25的晶化产物为Fe3B晶体，与母体成分相同，属于多形型晶化反应。这三种成分的Fe-B合金晶化后最终都将转变为自由能最低的α-Fe+Fe2B。一般来讲,非晶态金属的晶化会严重地损害非晶态金属许多优异的性能，如磁性、韧性和抗腐蚀性等。另一方面，非晶态金属有控制的部分或全部晶化却又是一种有用的工艺手段，如非晶态金属通过晶化，可以获得微晶粉末；通过有控制的部分晶化，晶体的钉扎作用使 (Mo，Ru)80B20非晶合金的超导临界电流密度大大提高。 非晶态金属
应用
无定形的结构使非晶态金属具有许多比普通晶态金属优异的性能。特别是近十年来，由于生产非晶态条带的各种工艺取得进展，已有不少性能可靠的产品，使其有可能在工程上实际应用。
非晶态金属的磁导率高、矫顽力低等，加上它的高硬度和强度，是很好的磁头材料，其性能和寿命均优于普通的晶态合金。非晶态金属的铁损小，仅为硅钢片的1/3～1/4，是较好的变压器铁芯材料。非晶态金属还具有零或负电阻温度系数的特点，可用来制作电阻器件。非晶态合金的发展方兴未艾。
