非晶态合金的性能和特点
我们通常说物质有固态、液态、气态三态,由于温度、压力的不同,物质的三态可以互相转化。水在0℃时就变成了冰,在100℃时就变成了水蒸气。水在0℃转变成冰时叫做结晶。通常物体在结晶状态下分子的排列是有序的,像一排排整齐的方阵,而在液态和气态下分子的排列则是无序的,混乱的。物质在发生固态向液态或液态向气态的转变过程,通常称之为相变。发生相变时的温度是一定的。例如,冰水混合物的温度是0℃,超过0℃就全变成了水,低于0℃就全变成了冰。现在我们发现自然界中还有另一种状态,称之为第四态,也叫无定形态或非晶态。物质处于这种状态时,没有固定的融点,它从固态向液态转变时是逐渐软化的。例如,玻璃、蜡、塑料等等。这种状态内部的分子排列是无序的,但又约束在一定的范围内,所以它即体现出固体的一些特性,又具有液体的一些特性。非晶态又称之为亚稳态,将非晶态金属升高一定的温度,它会由非晶态转变为晶态。从非晶态转变为晶态的温度点,我们称之为转晶点,一但转变为晶态,它就是一种不可逆过程。
我们通常所说的晶态固体,如果它的内部没有杂质,我们称之为单晶,那么它们分子的排列就会十分整齐,宏观上也就能体现出非常优良的力学、化学性能,遗憾的是没有杂质的物质太少了。由于杂质的影响,通常晶态就不能以单晶,而是多晶的形态存在,就会有物理学上称之为晶界、位错、缺陷的现象。由于这些问题的存在,使晶态物质的力学、化学性能大受影响。拿金属材料来说,腐蚀往往沿着晶界向纵深发生,应力也往往沿晶界和位错集中,造成材料断裂、剥离。
这时候人们想到了非晶态,非晶态金属由于它内部原子排列的无序性,就没有晶界,没有位错,没有缺陷,内部是均匀的,各向同性的,那么它应该可以克服晶态金属的缺点,体现出许多优异的性能。
科学家们在研究非晶态金属的时候发现,它确实有非常优良的力学化学性能。
非晶态金属与相同成分的晶态金属相比:一般具有较佳的抗拉强度,较好的硬度,较大的弹性横量和非常优良的耐腐蚀性。
另外,非晶态金属还有较好的磁学、电学特性。
例如,非晶态金属的硬度一般都>600HV,Cr-C非晶态镀层经热处理后,硬度可以达到1800HV。
优异的抗拉强度。Fe基、Ni基、非晶态合金的抗拉强度普通>1Gpa,Co基非晶态合金的抗拉强度>2.5Gpa,达到芳沦的水平。
高耐蚀性的NiP非晶态合金,耐中性盐雾可以达到1000小时。于1950年由Brenner发明的电镀和化学镀镍磷合金在工业生产中已得到极度广泛的应用。
专门研究磁学的专家还发现,由于非晶态金属的各向同性,因此许多含有磁性基本元素(Fe、Co、Ni)和稀土金属的非晶态合金具有优异的磁学性能。由基本元素(Fe-Si-B)和(Fe-Zr-B)系发展出了两类国际上应用极其广泛的软磁材料。
另外在非晶态金属中电性材料,弹性材料,巨磁阻材料,大块非晶力学材料均有大量的报道。
非晶态金属虽然有极其优异的性能,但生产它并不容易。物理学家和冶金学家从理论上论证,要想得到纯的非晶态单质金属,必须将液态金属以106℃/秒的速度冷却,这几乎是不可能的。经长期研究、发现通常能够制出的必要条件:两种以上的元素,且元素原子直径相差较大,(例如Fe和B,W和Fe)���那么,用快淬方法,通过调整一定的元素配比,这样冷却速度可以降到103℃/秒,用化学方法和其他方法比较容易实现。
按目前的工业生产技术,生产非晶态合金的方法主要有四种。
(1) 快淬法(制取非晶薄带) (2) 机械合金化法(制取粉末金属)
(3) 化学镀(如化学镀镍、化学镀铜等) (4) 电镀(Ni-W、Ni-P等)
其它方法还有爆炸法、真空沉积法等等。
形成的非金属合金主要有两大类:
一类是金属元素,如(Fe、Co 、Ni、Cu)与非金属元素C、P、S、Si、B等形成的合金;
一类是铁族过镀金属,如(Fe、Co 、Ni 、Cu)与(W、Mo)金属和稀土金属等形成的非晶态合金.
非晶态合金是一类全新的合金材料。它研究的起步时间大约是1950年代,获得大发展是1980年代,非晶态的物理研究和制造工艺到目前为止还是一个前沿课题,除了材料专家对它了解以外,世人对它的优良特性,应用领域知之甚少,然而,如今它正以迅猛的速度进入工业和民用领域。