非晶態(tài)合金的性能與應(yīng)用

關(guān)于非晶態(tài)合金的性能與應(yīng)用非晶態(tài)合金的性能第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶中原子有較強(qiáng)的鍵合，特別是金屬-類金屬非晶中原子鍵合比一般晶態(tài)合金強(qiáng)得多；非晶合金中原子排列長程無序，缺乏周期性，合金受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生滑移。非晶合金具有很高的強(qiáng)度、硬度和較高的剛度，是強(qiáng)度最高的實(shí)用材料之一。強(qiáng)度、硬度和剛度高強(qiáng)度非晶材料第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天金屬玻璃的強(qiáng)度、硬度和彈性模量第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天一些非晶合金的強(qiáng)度甚至超過了高強(qiáng)度馬氏體時(shí)效鋼(σs約2GPa)，強(qiáng)度最高的Fe80B20的屈服強(qiáng)度與經(jīng)過冷拉的鋼絲差不多。金屬玻璃具有很好的室溫強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，也具有很好的耐磨性能，在相同的試驗(yàn)條件下磨損速度與WCrCo耐磨合金差不多。第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天韌性和延性非晶合金不僅具有很高的強(qiáng)度和硬度，與脆性的無機(jī)玻璃截然不同，還具有很好的韌性，并且在一定的受力條件下還具有較好的延性。Fe80B20非晶合金的斷裂韌性可達(dá)12MPa.m-1/2，這比強(qiáng)度相近的其它材料的韌性高得多，比石英玻璃的斷裂韌性約高二個(gè)數(shù)量級(jí)。柔韌的非晶第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天材料在一定溫度范圍內(nèi)，彈性模量隨溫度的變化極小。許多非晶態(tài)鐵基合金由于大的自發(fā)體積磁致伸縮導(dǎo)致其彈性模量的變化，形成△E效應(yīng)，即艾林瓦特性。使其在室溫附近，彈性模量和剪切彈性模量不隨溫度而變化。

艾林瓦(Elinvar)特性第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天彈性模量和溫度的關(guān)系右圖是彈性模量和溫度的關(guān)系圖，可以看出，F(xiàn)e79B21、Fe80B20、Fe82B18、Fe83B17、Fe85B15、Fe86B14合金在Tc溫度下，E幾乎不隨溫度變化，硼摩爾分?jǐn)?shù)為15％~18％的合金，E的溫度系數(shù)幾乎為零。由于非晶合金的亞穩(wěn)性質(zhì)，其彈性模量△E＝E0-ET隨時(shí)間不斷下降，相當(dāng)長時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定(未老化)。第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天金屬玻璃的塑性與外力方向有關(guān)，處于壓縮、剪切、彎曲狀態(tài)時(shí)，金屬玻璃具有很好的延性，非晶合金的壓縮延伸率可達(dá)40％，軋制時(shí)壓下率為50％以上也不會(huì)產(chǎn)生斷裂，薄帶對(duì)彎至180度一般也不會(huì)斷裂。金屬玻璃在拉伸應(yīng)力條件下的延伸率很低，一般只有約0.1%。非晶合金的彈性模量比晶態(tài)合金略低。非晶合金在外力作用下應(yīng)變不均勾，受疲勞應(yīng)力作用時(shí)疲勞裂紋容易形核，疲勞壽命較低。第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶是一種短程有序密排結(jié)構(gòu)，與長程有序的晶態(tài)密排結(jié)構(gòu)相比，非晶合金的密度一般比成分相近的晶態(tài)合金低1-2％。Fe88B12合金在晶態(tài)時(shí)密度為7.52g/cm3，在非晶態(tài)時(shí)密度為7.45g/cm3。非晶合金具有很高強(qiáng)度、硬度、耐磨性能和韌性，在彎曲、壓縮狀態(tài)時(shí)有很好的延性，但拉伸延性、疲勞強(qiáng)度很低，所以一般不能單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料。許多成分的金屬玻璃經(jīng)適當(dāng)晶化處理后，綜合力學(xué)性能會(huì)有很大提高。密度第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天熱學(xué)性能非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，是溫度敏感材料。如果材料的晶化溫度較低，非晶態(tài)合金更不穩(wěn)定，有些甚至在室溫時(shí)就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。非晶的熱處理第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（因瓦(Invar)效應(yīng)）金屬玻璃在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，都顯示出很低的熱膨脹系數(shù)，并且經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，還可進(jìn)一步降低非晶合金在室溫下的熱膨脹系數(shù)。幾種非晶合金的熱膨脹系數(shù)(10-6/℃)第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天電學(xué)性能非晶具有長程無序結(jié)構(gòu)，在金屬-類金屬非晶合金中含有較多的類金屬元素，對(duì)電子有較強(qiáng)的散射。非晶合金一般具有較高的電阻率，是相同成分晶態(tài)合金電阻率的2-3倍，電阻溫度系數(shù)比晶態(tài)合金小。某些晶態(tài)及非晶態(tài)合金的電阻率和電阻溫度系數(shù)第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天許多非晶(如Nb-Si，Mo-Si-B、Ti-Nb-Si、W-Si-B等)在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)還具有超導(dǎo)性能。在非晶中形成彌散的第二相也可使臨界溫度、電流密度等超導(dǎo)性能得到提高。Zr65Nb15B20非晶合金經(jīng)適當(dāng)退火產(chǎn)生部分晶化，在基體上形成許多微小晶粒，合金超導(dǎo)臨界溫度提高2倍。具有超導(dǎo)性能的非晶合金可制成具有良好力學(xué)性能的薄帶，為開展超導(dǎo)研究和應(yīng)用研究提供有利條件。第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天磁學(xué)性能部分非晶合金具有良好的鐵磁性能。非晶合金中沒有晶界，一般也沒有沉淀相粒子等障礙對(duì)磁疇壁的釘扎，所以非晶合金很容易磁化，矯頑力極低。金屬玻璃經(jīng)部分晶化后產(chǎn)生的極細(xì)晶?？勺鳛榇女牨诜蔷鶆蛐魏嗣劫|(zhì)，細(xì)化磁疇，獲得比晶態(tài)軟磁合分更好的高頻(＜100kHz)軟磁性能。某些鐵基非晶合金(例如Co-Fe-B-Si)在很大頻率范圍內(nèi)都具有很高的磁導(dǎo)率。第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天某些非晶態(tài)合金的軟磁特性第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天一些非晶永磁合金在經(jīng)部分晶化處理后永磁性能會(huì)產(chǎn)生很大提高。許多鐵基稀土非晶合金晶化后，矯頑力可增加2-3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，具有很好的永磁性能。NdFeB非晶合金經(jīng)過晶化熱處理并控制形變織構(gòu)方向后，最大磁能積達(dá)到55MGOe，是目前永磁合金磁能積能達(dá)到的最高水平之一。第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)性能非晶中沒有晶界、沉淀相相界、位錯(cuò)等容易引起局部腐蝕的部位，也不存在晶態(tài)合金容易出現(xiàn)的成分偏析，所以非晶合金在結(jié)構(gòu)和成分上都比晶態(tài)合金更均勻，具有更高的抗腐蝕性能。含Cr的鐵基、Co基和鎳基金屬玻璃，特別是其中含有P等類金屬元素的非晶合金，具有十分突出的抗腐蝕能力。P的作用是促進(jìn)防腐蝕薄膜形成；Cr作用是形成防腐蝕保護(hù)膜。第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶態(tài)合金和晶態(tài)不銹鋼在10%FeCl2-10H2O溶液中的腐蝕速率第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶態(tài)金屬表面能高，可以連續(xù)改變成分，具有明顯的催化性能。作為催化劑被應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。非晶態(tài)金屬催化劑主要應(yīng)用于催化劑加氫、催化脫氫、催化氧化及電催化反應(yīng)等。觸媒劑在化學(xué)工業(yè)中具有相當(dāng)重要的地位，高效率的觸媒劑對(duì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)效率的提高、能源的節(jié)約以及新化工產(chǎn)品的產(chǎn)生起著重要的作用。不同的化學(xué)反應(yīng)要求特定的觸媒劑，非晶態(tài)合金具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)異觸媒性能。

催化性能

第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天貯氫性能

非晶態(tài)金屬還具有優(yōu)良的貯氫性能。某些非晶態(tài)金屬通過化學(xué)反應(yīng)可以吸收和釋放出氫，可以用作貯氫材料。一些非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的貯氫性能，貯氫后非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)穩(wěn)定，但原子間距膨脹。有些非晶態(tài)金屬由于吸氫后轉(zhuǎn)變成為晶態(tài)，這是由于氫化物形成是放熱反應(yīng)，非晶合金吸氫時(shí)，由于發(fā)熱而升溫產(chǎn)生晶化。非晶態(tài)金屬的吸氫量是隨氫原子能占據(jù)的場所的數(shù)目以及易產(chǎn)生氫化物的元素含量的增加而增加。根據(jù)這個(gè)道理，若在氫原子能占據(jù)的場所填入了類金屬元素的原子，那么將不能貯氫。如在TiNi合金中添加硼、硅時(shí)，吸氫量減少。第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天金屬材料的光學(xué)特性受其金屬原子的電子狀態(tài)所支配，某些非晶態(tài)金屬由于其特殊的電子狀態(tài)而其有十分優(yōu)異的對(duì)太陽光能的吸收能力。所以利用某些非晶態(tài)材料能夠制造出相當(dāng)理想的高效率的太陽能吸收器。非晶態(tài)金屬具有良好的抗輻射（中子、γ射線等）能力，使其在火箭、宇航、核反應(yīng)堆、受控?zé)岷朔磻?yīng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。光學(xué)性能第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶合金的應(yīng)用第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶軟磁元件大功率變壓器總希望使用磁感應(yīng)強(qiáng)度高、矯頑力低，損耗小的材料。變壓器用量特別大，還必須要求原材料成本低。此外，還要求使用的材料延展性好，加工容易、尺寸精度高、層間絕緣性好、耐腐蝕性強(qiáng)。變壓器大功率變壓器第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶合金的矯頑力很低，外場作用下十分容易磁化；同時(shí)非晶合金具有很高的電阻，可以明顯降低渦流損失。金屬玻璃用作低頻(50-60Hz)磁芯時(shí)的磁芯損耗根低，其中Fe81B13.5Si8.5C2、Fe82B10Si8等鐵基非晶合金的磁芯損耗只有常用硅鋼片的1/3-l/5，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度等磁學(xué)性能與硅鋼片相近，非晶軟磁合金的主要用途是取代晶態(tài)硅鋼制作各種類型的變壓器。第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶磁性合金的應(yīng)用不僅可減少能量損失，還可以在額定功率一定時(shí)，減輕變壓器的重景和減小變壓器的尺寸。變壓器用非晶鐵芯非晶變壓器第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天Fe基非晶合金與坡莫合金制成的開關(guān)變壓器的性能比較，非晶變壓器的體積、重量明顯下降，溫升降低，成本減少50％以上。Fe基非晶合金與坡莫合金制作的開關(guān)變壓器的性能第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天磁頭磁頭器件要求材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大；在工作頻率范圍內(nèi)材料的磁導(dǎo)率高；具有較低矯頑力和較高電阻率；耐磨性和抗蝕能力強(qiáng)；磁性能對(duì)加工應(yīng)力不敏感；熱穩(wěn)定性好等。硬盤讀寫磁頭第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天用非晶合金作磁頭具有下列優(yōu)點(diǎn)：無磁晶各向異性：晶態(tài)材料的磁晶各向異性使磁導(dǎo)率下降，矯頑力增大，磁滯損耗增加，噪聲增大。電阻率高：這對(duì)降低渦流損耗有利。硬度大，耐磨性好。耐腐蝕性高：晶態(tài)材料的磁性與耐蝕性難以兼得。容易獲得薄帶：高頻工作時(shí)，為減小渦流損耗，希望材料減薄，要求用數(shù)微米至數(shù)十微米的薄片；對(duì)于晶態(tài)材料，加工有一定困難，非晶帶的厚度一般為20-40μm，很適于錄相磁頭的工作頻帶。第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天傳感器非晶合金薄帶與絲材具有許多優(yōu)點(diǎn)，適合各種類型傳感器的不同需求：同時(shí)具有高強(qiáng)度和高彈性極限，用非晶合全條帶的絲材可直接做成彈性環(huán)和彈簧，不需要輔助彈性材料和保護(hù)材料，制成的器件可承受很大的拉力，且具有耐磨、耐沖擊和耐腐蝕性。Co基非晶合金的最大磁導(dǎo)率可達(dá)106級(jí)，是高靈敏度磁性傳感器的理想材料。第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天用非晶帶繞成環(huán)形磁芯，在直徑方向施加很小外力，會(huì)使磁芯的磁特性發(fā)生顯著變化。用這個(gè)磁芯構(gòu)成單磁芯橋式多諧振蕩器，可將由應(yīng)力所產(chǎn)生的磁性能變化轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，制成高精度?yīng)力傳感器。應(yīng)力傳感器第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶Fe82Si6B12條帶制成的電磁傳感器已用于交通信號(hào)自動(dòng)控制裝置中的探頭，性能明顯優(yōu)于坡莫合金：電路電壓降低一半，激磁電壓降低2/3，輸出信號(hào)增加2倍，作用距離提高1倍。交通信號(hào)控制器交通電子眼第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天用彈性好且耐蝕的FeNi非晶合全制成微型壓力傳感器，可測微小壓強(qiáng)，用作人體肛腸壓力測定裝置。臨床證明具有靈敏度高、體積小、重復(fù)性好、耐腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。微型壓力傳感器磁場傳感器第33頁,共45頁，2024年2月25日，星期天磁分離裝置磁分離是指在磁場作用下將磁性微粒與非磁性微粒加以分離的技術(shù)。磁分離裝置大都是在腐蝕性介質(zhì)中使用，所用材料必須具有良好的聚磁性，耐腐蝕性，高強(qiáng)度，還要考慮過濾效率要高，不易堵塞等問題。磁分離裝置第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天含Cr的Fe基非晶條帶與圓絲混合成的過濾器非常適合這種要求。這種軟磁性和耐腐蝕性優(yōu)良的條帶和絲材作聚磁材料，可獲得很高的磁場梯度，即形成很強(qiáng)的磁力捕獲區(qū)，能達(dá)到很高的分離效率。這種非晶磁分離裝置，用于凈化軋鋼廢水處理，凈化效率可達(dá)97％以上用于超高壓變壓器絕緣油的凈化處理，可使變壓據(jù)的介質(zhì)損耗降低一半，大大延長安全運(yùn)行周期。第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天非晶永磁合金非晶永磁合金晶化處理后，可得到納米晶粒，獲得一類重要的永磁材料—雙相耦合納米晶永磁材料。雙相納米晶永磁成本相對(duì)低廉，耐蝕性較高，磁體可采用模壓、注射、壓延、熱壓等多種方法進(jìn)行成型，效率高，磁學(xué)和力學(xué)性能都很好。美國代頓大學(xué)用這種方法制備的納米晶NdFeB永磁體的永磁性能已接近目前傳統(tǒng)燒結(jié)NdFeB磁體研究的最高水平，并且還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，逐漸成為新型永磁材料的發(fā)展方向。第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天納米晶永磁應(yīng)用廣泛，可用于電子、通信、汽車、機(jī)械、能源、醫(yī)療、國防等多個(gè)領(lǐng)域，包括硬盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手機(jī)振動(dòng)電機(jī)、汽車起動(dòng)電機(jī)、礦物分離裝置、核磁共振成像及空調(diào)、冰箱、音箱、錄像機(jī)、電鐘等家用電器中的磁性部件。納米晶磁體制備的微型馬達(dá)納米晶粘結(jié)磁體第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)材料非晶合金晶化后制成微晶合金可作為結(jié)構(gòu)材料使用。非晶薄帶粉碎后進(jìn)行熱壓加工，使非晶合金晶化并制成大塊晶態(tài)合金，晶粒細(xì)小均勻，尺寸僅為0.2-0.3μm，還含有大量硬度很高的彌散硼化物和金屬間化合物，具有優(yōu)異力學(xué)性能。這種微晶合金不僅綜合力學(xué)性能好，而且克服非晶合金尺寸小、工作溫度低的缺點(diǎn)。第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天微晶的非晶合金在440℃-550℃時(shí)還有很好的熱強(qiáng)度和沖擊韌性，在750℃時(shí)具有極好的抗氧化性能，所以熱硬度和耐磨性能很好的Ni53Mo35Fe9B3等非晶合金可制作刀具、擠壓模。晶化處理的鈦基合金也具有極好的力學(xué)性能，Ti-25Zr-10B的硬度為2345MPa，而Ti-M-Si(M＝Mn、Fe、Cu、Co)合金的抗張強(qiáng)度達(dá)到2750MPa。高強(qiáng)度非晶材料第39頁,共45頁，2024年2月25日，星期天微晶化后的非晶合金在共有良好力學(xué)性能的同時(shí)仍然保持了很強(qiáng)的抗腐蝕性能，在相同的腐蝕條件下，F(xiàn)e63Cr22Ni3Mo2B8C2微晶合金的腐蝕速度比316不銹鋼低10倍。高強(qiáng)度、抗鹽水腐蝕的鐵基非晶合金可作為制造潛水艇的材料，某些鐵基非晶合金甚至可以制作快速中子反應(yīng)堆中的化學(xué)過濾器。潛水艇第40頁,共45頁，2024年2月25日，星期天