大块非晶合金力学性能研究进展--《西安交通大学学报》2001年06期
大块非晶合金力学性能研究进展
【摘要】：对大块非晶合金力学性能研究领域的最新进展进行了综述 .介绍了新型不同系列大块非晶合金的结构和成分特点 ,特别是与传统晶态合金相比 ,相同成分的大块非晶合金具有优异的力学性能 ,其弹性比功、拉伸断裂强度、压缩断裂强度、弯曲断裂强度、摆锤冲击断裂能、断裂韧性和弯曲疲劳强度均较高 .同时 ,对此类合金的应用前景进行了简要评述 .
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG139.8【正文快照】：
历史上第一次报道制备出非晶态合金的是Ｋｒａｍｅｒ[1] ,使用的方法是蒸发沉积 .此后不久 ,Ｂｒｅｎ ｎｅｒ等用电镀法获得了Ｎｉ Ｐ及Ｃｏ Ｐ非晶态镀层[1] .但是 ,直到 1960年 ,加州理工学院的Ｄｕｗｅｚ创立了快速凝固技术 ,并应用这一技术制备出Ａｕ Ｓｉ非晶合金后[2 ]
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京公网安备75号铁基非晶合金材料的温度特性
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用先进的超急冷快淬技术，将液态金属以1&106℃/秒冷却速度形成厚度为0.02～0.04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶组织特征，不具备传统合金材料的晶体结构。由于非晶合金具有优异的物理、化学和力学性能，应用领域广泛，三十多年来一直是冶金、材料领域的研究开发应用的热点。目前，非晶合金材料，尤其铁基非晶材料在美、日、德等发达国家已经产业化、商品化、美国Honeywell公司（被日立金属收购）居世界的领导地位，不仅工艺技术设备先进、产能规模达几万吨，而且非晶带材质量和宽度、材料及铁芯器件的种类及应用等都是执世界之牛耳；日本的日立金属和东芝公司及德国的真空熔炼公司（VAC）在非晶合金材料的研究开发应用方面占据相当重要的位置。我国也已形成相当的产业规模，非晶合金材料的生产能力居世界第二，但生产工艺技术设备水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距。目前铁基非晶合金材料已研制各种各样的磁性器件，广泛地应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域。尽管铁基非晶合金居里温度高和磁性器件在退火（&400℃）后应用是一个不争的事实，但仍然有许多电子产品用户对磁性器件的温度稳定性存在疑惑。作者认为研究铁基非晶合金的温度稳定性，消除使用者的疑虑及提供技术依据还是非常必要的。
2 非晶合金材料性能及应用
目前已获得工业化应用的非晶合金材料主要有非晶软磁材料、非晶钎焊材料、非晶防窃（传感）材料及非晶催化材料等。非晶软磁材料主要是指铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金以及在非晶化基础上发明的铁基纳米晶合金等，这些合金材料因其独特的非晶组织结构而呈现优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力及低的高频损耗等，这些软磁性能都是磁性材料学者们一直苦苦追求的目标。在这些非晶软磁合金中，铁基非晶合金材料应用最为广泛，全世界每年有几万吨材料用于制作电力行业的配电变压器铁芯，还有上千吨的材料制成各种各样的磁芯器件用于电力电子领域，随着电子技术向高频、大电流方向发展及抗电磁干扰技术的发展，电子设备中用作滤波、贮能、PFC、抗干扰及抗噪音等各种各样电感器件的需求量也将随之增加。有关软磁合金性能比较参见表1。
随着电子技术向高频、大电流、小型化和片式化方向发展，大大推动了非晶合金材料在电力行业、电子行业及电力电子技术领域应用，尤其是近十几年来，改革开放，国外电子产品及元器件制造商大量涌入，大大促进我国电子工业的发展，也给非晶合金材料的推广应用带来良好的商机，取得令人满意的效果。有关应用领域参见图1。
3 非晶合金材料温度特性研究
由于非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，从热力学原理上讲，总有向晶态转变的趋势，一旦发生严重晶化，合金磁性能将不复存在。虽然表1表明非晶合金的居里温度大于300℃，远远高于铁氧体等软磁材料；我们提供给用户的铁基非晶合金的磁性器件都已超过400℃一小时以上的退火热处理，结构已相当稳定，但仍有不少使用者担心非晶合金材料的温度稳定性，需要提供可信的技术依据， 为此，作者选择铁基非晶有代表性的铁芯器件研究其温度稳定性。
3.1 铁基非晶滤波电感铁芯的温度特性
选择两只用于PFC铁基非晶（FeSiB）合金铁芯测试其温度特性、频率和偏场特性。温度测试范围为20～150℃，测试频率为1～200kHz，偏场电流为0～10A（安匝数（AN）约为500），选取测试频率为1、10和30kHz的测试结果列于表2。
3.2 部分晶化铁基非晶电感铁芯的温度特性
铁基非晶（FeSiB）合金部分晶化热处理制备无间隙宽恒导电感器件是近年来铁基非晶合金的应用热点之一，我们选取五只铁芯产品测试-55℃～120℃温度范围内的磁导率和电感量的变化，测试结果如表3所示；并测试温度范围-55～150℃、频率1～200kHz内的有效磁导率的变化，测试结果如表4所示。
4 结果与讨论
测试温度对磁性能的影响实质上是温度对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动的作用，低温时，电子运动等受到一定的约束，磁性能呈现下降；温度增加时，在一定范围内，对电子运动、磁畴转动及畴壁的移动都有利，铁芯的损耗下降，磁导率及电感量等均增加。只有当温度升高到一定值，才会导致磁性能恶化，我们从铁氧体材料的温度特性可以知道；铁氧体的居里温度低于250℃，当温度超过80℃后，铁氧体的磁性能才开始下降。本研究铁基非晶合金的居里温度400℃以上，按此推理-55～150℃测试温度并未达到引起磁性能恶化的温度上限，上述几种非晶合金铁芯磁性能变化应不大。以室温的磁性能为基准，将铁基非晶合金铁芯、部分晶化铁基非晶电感铁芯的性能变化情况（变化量以%计）列于表5和表6，结果与此完全一致。这些研究均表明非晶合金材料在电子行业要求的环境温度范围内，磁性能变化是符合有关标准的规定，完全可以满足用户的性能要求。
本文研究结果表明铁基非晶合金材料具有良好的温度稳定性，加工制成的各种铁芯器件，不仅保留合金居里温度高的本征特性，而且铁芯器件经过400℃一小时以上的热处理后供用户使用，因而广大用户不必担心铁基非晶合金铁芯器件的温度稳定性。■
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物理所发表非晶合金弹性性质和弹性模型研究综述文章
文章来源：物理研究所
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从1998年开始，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）汪卫华研究组通过大量实验，系统地研究了非晶合金形成、结构、力学性能和弹性性能，从弹性模量（基于原子间作用力等微观因素的宏观统计物理量）的角度来研究非晶结构及性能的关系，认识非晶中一些基本问题，取得重要研究成果。
鉴于这些在非晶弹性性能研究和建立非晶的弹性模型方面系统的工作，应Progress in Materials Science刊物（影响因子16.5）主编Arzt教授的邀请，汪卫华研究组为该刊物撰写了长170页的综述论文The elastic properties, elastic models and elastic perspectives of metallic glasses，系统总结了非晶合金弹性性能和弹性模型以及弹性模型在认识、理解非晶基本问题上的作用的工作。
非晶合金是金属熔体经过快速凝固而得到的结构无序的亚稳材料。虽然从液态到玻璃态没有传统意义上的相变发生，非晶材料弛豫时间尺度却从液态的（～10－10秒）变化到玻璃态的 （～100秒）；由于非晶缺少微观尺度的特征结构，表征与建立其结构与性能的相关性从基本理论到实验手段上都极其困难，其宏观性能与微观结构的相关性还很不清楚。另一方面，由于金属熔体温度高，容易氧化，过冷度低，对金属液体在快速凝固过程中的动力学变化特征了解得很少。因此，与晶态相比，非晶合金形成的机理、非晶的特性、形变及结构稳定性的研究是相当困难的问题。人们对非晶合金在结构、性能上的一般规律了解甚少。这些因素严重制约了非晶合金材料的设计和探索、加工以及工程应用。
汪卫华研究组近年来的主要研究成果包括：
（一）系统地研究了非晶合金以及其它非晶材料的弹性性能，利用大块非晶的大尺寸和高结构稳定性的特点，系统、精确地测定了大量不同非晶合金以及其它典型非金属玻璃的弹性模量，包括杨氏模量、切变模量、体弹模量、泊松比，德拜温度，Grueneisen常数等。精确地测定了这些参量随温度、压力、结构弛豫、形变的变化规律。积累了大量非晶合金和很多其它玻璃材料的弹性、力学和物理性能参数。这些系统的数据为深入研究、理解非晶结构的特征及其和性能的相关性提供了可能性和条件，为认识非晶的本质，非晶形成机理，玻璃转变，非晶新材料的开发和性能的改善提供了实验基础。
（二）在系统研究非晶合金的弹性及其随结构变化规律的基础上，综合分析本组和他人大量非晶弹性性能研究成果，建立了非晶合金弹性模量模型：即把非晶合金的形成、形变、弛豫统一地用流变的物理图像加以描述，其流变的势垒由弹性模量控制，流变的势垒和弹性模量成正比。该模型揭示了弹性模量是控制非晶合金形成、性能和稳定性的关键物理因素。根据该模型，表征非晶合金其它物理量（如描述固液转变的玻璃转变温度，描述力学性能的强度、硬度、韧性，描述液体性质的“流动激活能”，描述非晶形成能力的参量等）与实验上能精确测定的非晶弹性模量直接关联。该模型预言了很多重要结果，如预言玻璃转变温度与杨氏模量成正比的结果，为他们实验合成一系列有特性的非晶合金材料奠定了理论基础。该模型为研究、理解非晶合金领域的重要科学问题，探索新型非晶合金材料提供了新的理论。
（三）非晶材料的形成机理是本领域的核心问题。已有的表征非晶形成能力的判据主要用于成分探索，不能控制和预测非晶性能和稳定性。他们通过试验和理论分析建立了非晶弹性模量与其韧性、强度、硬度、液体性质，振动特性、稳定性、玻璃转变，晶化，形成能力等的关联，同时发现非晶合金模量M和其组元模量Mi成分c满足关系：M=ΣcioMi。从而提出通过调控非晶模量来控制其性能、稳定性和形成的模量判据。包括：泊松比和非晶的形成能力关联的准则，非晶合金塑性判据（泊松比大的非晶合金塑性大），强度判据（模量高的非晶具有高强度和硬度），以及稳定性判据（体弹性模量高的非晶合金具有高稳定性），模量与玻璃转变温度及Debye温度的关联。模量判据为探索性能可控的非晶合金材料提供了新的方法，在非晶合金材料探索研究中发挥重要的作用。
（四）根据弹性模量判据，研制出十多种有自主知识产权、具有优异结构和功能特性的新型大块非晶合金新材料。获授权专利15项，其中既有塑料的热塑性、稳定性和形成能力，又具有金属合金优良的力学性能和导电特性的铈基金属塑料获美国专利。金属塑料工作还引发了广泛的跟踪和拓展研究。对这些非晶合金的性能的研究取得了多项有科学与应用价值的结果。
上述研究结果从1999年开始，陆续在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B， Appl. Phys. Lett.& J. Appl. Phys. Acta Mater等刊物上发表论文50多篇。文章被广泛引用3500多次，多个著名科学期刊发表专题评论评价相关的工作。如美国《材料学会会刊》出版的非晶合金专辑、美国《现代物理评论》以及《今日材料》关于非晶物理的综述文章都介绍或评述了这些工作。此外，《自然》在亚洲的材料网对相关的非晶研究工作先后作了4次专门报道。其中弹性性能和模型以及新型稀土基块体非晶合金研制的工作2010年获国家自然科学二等奖。
相关研究工作得到国家自然科学基金项目、973项目和中国科学院的资助。
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