§3 非晶合金材料
§非晶合金的发展历史
1960年Duwez等人采用Au-Si合金首次制备非晶相
二元非晶系合金一般是由过渡族金属或贵金属和玻璃
化非金属或类金属组成如Fe、Ni、Co等和B、Si、C、P等，
玻璃化元素原子百分比为15-30％
主要的非晶合金系有：
贵金属基、铁基、钴基、镍基、钛基、锆基、铌基、
钼基镧系金属基、铝基、镁基合金等
非铁类金属基合金
系
年代 铁类金属基合金
系
年代
Mg-Ln-M(Ln镧系；
Ni,Cu,Zn)
1988 Pd-Ni-Fe-P 1997
Ln-Ga-TM(Ⅵ-Ⅷ族
过渡金属)
1990 Fe-(Al,Ga)-
(P,C,B,Si,Ge)
1995
Zr-Al-TM 1993 Fe-(Nb,Mo)-
(Al,Ga)-
(P,C,B,Si)
1995
Zr-Ti-TM-Be 1995 Fe-(Zr,Hf,Nb)-B 1996
Pd-Cu-Ni-P 1996 Co-Zr,Hf,Nb)-B 1996
Pd-Cu-B-Si 1996 Ni-Zr,Hf,Nb)-B 1996
表3-1典型块状非晶合金及其开发年代
质点在三维空间排列没有规律性，
即远程无序，
不排除局部区域可能存在规则排列，
即近程有序
质点在三维空间作有规则的排列，
即远程有序
§ 非晶态材料的结构特性
图3-1 气体、熔体、玻璃和晶体的X射线衍射图
晶体：有序结构，当晶面满足布拉维衍射条件时，便
会在特征角度出现尖锐的衍射峰
气体：完全无序的结构，因而出现散射现象
玻璃和熔体结构：
• 存在相似性
• 介于有序和无序之间的一种状态，衍射图谱呈弥散
状衍射峰
• 近程有序、远程无序
• 在局部区域质点排列形式与晶体相似，但这种局部
有规则排列区域是高度分散的
§ 非晶态材料的亚稳定性
亚稳态是指该状态下系统的自由能比平衡态
高，有向平衡态（晶态）转变的趋势。
如何形成亚稳态（形成原因）
非晶材料在制备过程中，因熔体急冷使体系
粘度急剧增大，质点来不及作远程有序排列而
玻璃化，其释放的能量较结晶潜热小，即非晶
与晶体相比含有过剩的能量。
从热力学观点看，非晶态是能量的亚稳状
态，应具有自发放热和结晶的内在条件。而
常温下材料的粘度非常大，以致动力学条件
不足，阻碍了转化的进行。
当温度升高时，必然有向低能量转化的趋
势，产生晶化。
非晶态的形成
抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构
使非晶态亚稳结构在一定温度范围内保持稳
定，不向晶态转化
在晶态固体中引入或造成无序，使晶态转变
为非晶态
§ 非晶形成能力及主要参数
非晶的主要参数：
Rc：非晶形成临界冷却速度
tmax ：非晶形成临界厚度
玻璃转变温度 Tg和熔点 Tm，
Tg/Tm ：约化玻璃转变温度
结晶温度 Tx
ΔTx=Tx-Tg ：过冷液体温度区间
不同成分非晶态金属临界冷却速度在102-107K/s间变化，多数
非晶态合金在105-106K/s的冷却速度下制得
非晶形成能力：
1990年前发现的Fe基、Co基、Ni基非晶合金的临
界冷却速度Rc大于10
5K/s，厚度tmax限制在50μm以下，
而Pd-Ni-P和Pt-Ni-P 的Rc 在10
3K/s 数量级，熔
体未经净化处理条件下tmax为1-3mm
近年Mg、Ln、Zr、Fe、Pd、Co基合金系中发现了
新的多元非晶合金Rc 低至10
-1K/s ，最大试样厚度
达到72mm
经验原则
随着约化玻璃转变温度Tg/Tm的提高，非晶形成能
力有明显提高趋势，具有较低临界冷却速度Rc和较
大临界厚度tmax的合金，Tg/Tm的值超过
随着过冷液体温度区间ΔTx的提高， Rc降低而临
界厚度tmax增大
Zr-Al-Ni-P和Pd-Cu-Ni-P非晶合金的ΔTx的值超
过100K
Zr-Al-Ni-P
和 Pd-Cu-Ni-P
非晶合金的ΔTx
的值超过100K
§ 块状非晶合金的制备与性能
§块状非晶合金的制备
制备：快速凝固和固结加工
快速凝固：水淬、铜型铸造、高压压铸、电弧炉熔炼、
不定向熔炼等
固结加工：对处于过冷液状态的雾化非晶粉末进行热
压或热挤压进行制备
La基、Mg基合金最大厚度为10mm，锆基为30mm，Fe基
10mm
采用水淬法制备直径为50mm和72mm的Pd40Cu30Ni10P20非
晶合金，表面光滑良好金属光泽
1.良好的力学性能
非晶态金属的结构在宏观上是各向同性的，没有晶态
金属中常见的晶界和缺陷等各种局部不均匀。这样就使得
非晶态金属既可以具有很高的强度和硬度，同时又能在室
温下产生塑性变形。
与结晶合金相比，非晶合金具有较高的拉伸强度和显
微硬度，较低的杨氏模量。在杨氏模量相同的情况下，非
晶合金的拉伸强度和显微硬度约为结晶合金的3倍
§ 非晶合金的性能
它的强度和硬度比现有的许多晶态金属高，
能高达每平方毫米4000牛顿，超过了超高硬度
工具钢，同时还具有相对较高的韧性。
非晶合金的拉伸塑性较低，在拉伸时小于l％，
但在压缩、弯曲时有较好塑性，压缩塑性可达
40 ％，非晶合金薄带弯达180o也不断裂。
2.良好的化学性能
非晶态合金比相同成分的晶态合金具有强得多的耐
腐蚀性能，如Fe43Cr16Mo16C18B8非晶合金的耐腐蚀性可比
不锈钢高一万多倍。
由于非晶态材料的显微组织均匀，不包含位错、晶
界等缺陷，使腐蚀液不能入侵。
同时，非晶态合金自身的活性很高，能够在表面迅
速的形成均匀的钝化膜，或一旦钝化膜局部破裂也能够
及时修复。
3.非晶态合金的物理性能
非晶合金具有良好的磁学性能，非晶合金因矫顽力
小、导磁率高、铁损小和非常适用于制作变压器、电磁
开关、磁放大器等的磁芯。非晶合金可屏蔽外来电磁场
对高分辨率电子显微镜的干扰;利用其优异的磁性能制
作各种磁记录头和磁光光盘等。
非晶态材料电学性能方面展现出许多优于品态的特
点，如非晶态合金具有比晶态合金大10一100倍的高电
阻率。部分非晶态合金还具有超导特性。
