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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划非晶材料及应用1绪论非晶材料的简介及应用自然界存在的各种固体材料总是由大量的原子以一定的方式排列组成。根据原子排列的有序程度可把固体材料分为晶体、准晶体和非晶态三类。理想晶体中原子排列是十分有规则的，主要体现是原子具有周期性，或者称为是长程有序的；准晶体介于晶体和非晶态之间，具有长程的取向序而没有长程的平移对称序1；非晶态材料其组成物质的原子、分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，这种晶态材料虽长程有序受到破坏，由于原子间的相互关联作用，使其小于几个原子间距的小区间内仍然保持着形貌
2、和组成的某些有序的特征，即短程有序。非晶态材料与晶态材料相比有两个最基本的区别，就是原子排列不具有周期性，且属于热力学的亚稳相1。从原子结构的排列上说，非晶态结构是无缺陷的，不会有晶体材料的位错和晶界等特征。无缺陷结构对材料性能有重要影响，它所带来的优点之一是可望打到理论强度、超高耐蚀性、优异磁学性能以及一定温度下的超塑性等。非晶态合金又称金属玻璃，是以金属键结合的材料。它是合金熔体在快速凝固过程中没来得及结晶而形成的非晶态物质。在微观结构上，它具有液体的无序原子结构，就上是一种非常粘稠的液体；在宏观上，它又具有固体的刚性。和其它非晶态物质一样，非晶合金的一个基本特征是其构成的原子在很大程度上
3、是混乱排列的，体系的自由能比对应的晶态合金要高，在适当条件下，会发生结构转变而向稳定的晶态过渡。但是由于晶态相形核和长大的势垒比通常情况下热能高得多，因此非晶态能够长期保持而不发生改变。目前，非晶态材料在生活、工业、军事、高科技领域等各个方面被人们广泛运用。非晶合金具有独特的无序结构，兼有一般金属和玻璃的特性，因而具有独特的物理、化学和力学性能。而且，大块非晶材料因其尺寸较大，使得非晶合金许多优异的特性充分发挥出来23。块体非晶合金相对于晶态材料具有许多优异的性能，表1-1给出了块体非晶的特性及其相应潜在的应用范围，而Cu基块体非晶在力学性能方面更加具有优势45。表1-1非晶的特性及其应用性能
4、高强度高硬度高抗裂强度高冲击断裂能高疲劳强度高腐蚀性高侵蚀性能用途机械结构部件精密光学部件材料模具材料工具材料切削材料腐蚀材料穿甲武器非晶材料的种类非晶态材料的种类很多,硅土(SiO2),以及硅土和Al、Na、Mg、Ca等元素的氧化物的混合物构成最古老、最重要的无机玻璃，一些A-A和A族元素的混合物也较容易得到其玻璃态。目前，非晶态物质在自然界中占据了很大比例，从传统氧化物玻璃到非晶态半导体，再到非晶态合金，非晶态材料已经成为支撑现代经济的一类重要工程材料6。有人将所有的非晶态材料都纳入玻璃类，而将玻璃分成：离子玻璃；共价玻璃；金属玻璃三大类。人们一般认识的玻璃为SiO2和B2O3这类氧化物玻
5、璃，为了降低玻璃在液态的粘度加入Na2O、CaO使玻璃容易加工。这种氧化物玻璃属于上述的离子玻璃。至于共价玻璃，则包含了大多数的高分子材料，例如聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，此外非晶半导体也被列入了共价玻璃中。金属玻璃比其含有主要成分的金属材料具有更高的强度、硬度以及高磁导性，成为了近年来材料研究领域的热点。金属玻璃也称非晶合金，是通过急冷手段使合金液快速凝固，致使固态合金内部原子在室温下还保持着类似于液态结构的混乱排列的固态物质状态，它兼有金属和玻璃特性，是一种新型的金属合金材料。非晶态合金或金属玻璃合金与传统氧化物玻璃不同，合金中原子间的结合是金属键，而不是共价键，所以许多与金属相关的特性被
6、保留下来。非晶合金是一种亚稳态结构，具有短程有序，长程无序的特征，固态时其原子的三维空间呈拓朴无序排列，并在一定温度范围，这种状态保持相对稳定。例如Zr、Fe、Cu、Pb、Ni、La、Ti、Mg、Nb、Al、Co基非晶材料等等7。本设计主要对Cu基非晶材料进行研究，因为Cu基非晶材料非晶成型能力强并且成本较低。非晶材料的制备方法目前块体非晶合金的制备技术主要有两类7:一类是凝固法.由于多组元块体非晶体系具有很高非晶形成能力，其临界冷却速率小，故采用一些传统的金属熔体凝固技术即可，如:水淬法、铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、压铸法等。另一类是粉末冶金法，即在过冷液相区温度范围内将非晶粉末采用热压
7、或挤压的办法形成块体非晶合金，这种方法主要是利用多组元合金体系的过冷液相稳定性高并且具有粘滞流动性好的特点。目前比较常用的几种制备块体非晶合金的方法及特点简述如下。液淬法8水淬法是将合金置于石英管中，熔化后连同石英管一起淬入流动水中,以实现快速冷却,形成大块非晶合金。实现这个过程有两种途径：一种是将石英管置于封闭的保护气氛系统中进行加热(石英管口敞开)，同时水淬过程也是在封闭的保护气氛系统中进行；另一种是将母合金放入石英管中，管内须充入保护气体或抽真空,然后将管口封闭，待合金熔化后再将石英管淬入流动水中。这种方法可以达到较高的冷却速率，有利于大块非晶合金的形成,但也存在许多问题。例如加热和水淬
8、过程都在封闭系统中进行,其设备将是比较复杂和昂贵的；而将合金密封在石英管中时，则因不利于排气，容易造成气孔。另外，在某些场合下石英管与合金可能发生反应使石英管破裂，而反应后的生成物既影响水淬时液态合金的冷(转载于:写论文网:非晶材料及应用)却速率，又容易造成非均匀形核，以至影响大块非晶合金的形成。因此这种方法的应用具有很大的局限性。电弧熔炼铜模吸铸法9在惰性气体保护下用电弧迅速将合金加热至液态，然后利用负压将熔融合金直接吸入循环水冷却的铜模中，利用水冷铜模导热快实现快速冷却，以获得大块非晶合金该法是在气氛压力与大气压接近的保护气氛体系中熔炼合金，所以没有明显的气孔；由液态转入冷却模的时间较短，
9、能达到较高的冷却速率，工艺过程比较简单，也易于操作由于铜模的冷却速率有限，所以制备大块非晶合金的尺寸有限。感应加热铜模浇铸法10该法是将合金置于底端开孔的石英管中，通过电感线圈在合金中产生的涡流加热使得合金迅速熔化。由于表面张力使液态合金不会自动滴漏，故需要从石英管顶部外加一个正气压将其吹入铜模。与电弧加热吸铸法相比，感应加热浇铸法具有加热温度可控性强，铜模不被直接加热等优点，但是在浇铸时容易混入保护气体，形成气孔。射流成型法11射流成型法是将母合金置于底部有小孔的石英管中，将母合金熔化后，在石英管上方导人氢气，液态母合金在压力的作用下从小孔中喷出，注人下方的水冷铜模型腔内，使其快速冷却而得到
10、非晶合金。这种方法具有较高的冷却速率，非晶形成能力较强。但是该方法较复杂，技术难度较大，而且有可能得到非晶粉末。压力模型铸造法12首先将合金在熔化腔中熔化，然后将熔化的合金以一定速度和压力压入金属模型腔中，以实现快速冷却而形成大块非晶合金。由于液态金属对金属模型腔的充填速度很快，并保持较大的压力，与金属模铸造相比，这种方法具有更快的冷却速率，更有利于形成大块非晶合金。用这种方法还可以直接制作形状较复杂的大块非晶合金零件。定向凝固法13定向凝固法可以连续获得大块非晶合金，它有两个主要的控制参数，即定向凝固速率V和固液界面前沿液相温度梯度G，定向凝固法的冷却速率可以通过这两个参数计算出来，即Rc=
11、GV。可见，温度梯度G越大，定向凝固速率V越快，冷却速率则越大，所制备的非晶合金的截面尺寸也越大。然而温度梯度G的大小主要受定向凝固设备限制，一般在10100C/ram范围。定向凝固速率V受设备的熔化速率限制。例如定向凝固必须保证在样品相对下移过程中熔化区固相能够完全熔化，并达到一定的过热度，因此定向凝固速率也不可能无限大。另外，当V很大以后，G将降低，样品截面尺寸增大也会影响G的大小。综合几方面的因素，当样品直径在20mm以下时，取G=100/mm，V=lmm/s，则冷却速率Rc=100/s。可见，定向凝固方法虽然可以连续制备大块非晶合金，但要求合金的非晶形成能力强，临界冷却速率低，非晶合金
12、样品的截面尺寸也不可能太大。机械合金化法14机械合金化法是将元素粉末按比例混合，在高纯氩气的保护下在球磨机中进行机械合金化制备非晶态合金。利用磨球的冲击力等通过粉末元素之间的固相扩散进行合金化，能获得用传统熔炼法所不能获得的合金材料。但该方法耗时长并且存在容器和磨球污染粉末的问题，并且此法依附于装置的因素较多，产品的再现几率低。另外，机械合金化合成的材料均为粉末状，需进一步固化成形。采用不同的制备方法，铜基非晶合金的冷却速率各异。一般说来，在冷却条件一定时，所制备的样品体积越大，其凝固的冷却速率越小，样品的体积与其凝固的冷却速率两者很难兼得。固结成型法15固结成型法是将元素粉末在过冷温度区间进
13、行超塑性变形而固结成型。粘滞性牛顿流体所导致的超塑性变形行为是普通的晶体材料超塑性变形所无法比拟。这种制备方法在一定程度上可以突破直接凝固法制备大块非晶合金在成分上和尺寸上受到的限制，因而可以在更多的合金体系中制备尺寸更大的非晶合金。连续铸扎法17在真空条件下，根据大块非晶合金产品的截面形状和长度尺寸，选择水冷轧辊的孔型，调整水冷轧辊的辊缝尺寸，以保证轧铸时大块非晶合金连续；将熔化的大块非晶合金熔体，通过坩埚、控制其流量的柱塞、浇口，使其流入到浇嘴内，然后均匀不断地注入水冷轧辊的辊缝中，通过两个相对旋转的水冷轧辊轧制出相应的大块非晶合金产品。块状非晶合金的性能非晶合金的结构与玻璃态的材料相同，
14、都是亚稳态结构。这种材料的特性已经花费了近半个世纪的时间在不同领域进行了研究。随着制备非晶材料的方式越来越完善，人们可以制备出形状比较规则，尺寸足够大的非晶合金样品。人们将会进一步对非晶合金的力学性能进行研究，并且应用于工程上18。将非晶合金与普通的合金相比较，非晶材料具有独特的性能：有很高的弹性极限，在拉伸和压缩时其弹性应变极限可达2%，而晶体材料的弹性应变极限小于1%。具有很高的屈服强度，最高的可达到2GPa左右。同时它和晶态材料的拉伸强度和屈服强度不同，非晶材料的屈服强度大于拉伸强度，通常屈服和断裂同时发生。疲劳性能，裂纹扩展行为和传统韧性晶体材料相似，即(a)裂纹扩展速率取决于所加的应
15、力强度范围，(b)载荷比例和裂纹闭合的作用相似，(c)在疲劳断裂表面上出现韧性回纹。大块非晶合金的疲劳应力和循环次数的关系与韧性晶态金属的不同，表现为疲劳寿命低，与应力范围的依赖性小，外加应力降到拉伸应力的4时才能够观察到疲劳极限。较高的硬度，非晶材料的原子以高密度堆积在一起的方式排列，硬度普遍较高，非晶合金的断裂韧性值KIC高于失效强化铝合金，与商用钛合金相当，约为6070MPam1/2。此外非晶还有良好的冲压性能、超塑性、良好的韧性及其他力学性能。非晶带材1范围本标准规定了非晶带材的定义和分类、技术要求、试验方法、验收规则等。本标准适用于制造配电变压器、中频变压器、高频开关电源变压器、脉冲变压器、互感器、滤波电感和电抗器、共模电感、磁放大器和饱和电感、传感器等铁芯以及磁屏蔽用的非晶、纳米晶软磁合金带材。2引用标准3术语和定义、分类4要求化学性能本标准规定的各类非晶带材应符合表1、表2、表3、表4中相应的化学性能。合金的牌号和化学成分如表1、表2、表3、表4中的规定，化学成分不作为判定依据。如需方有特殊要求，其化学成分也可由供需双方协商确定。表2钴基非晶软磁合金的化学性能表3铁镍
