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          非晶態合金形成原理及條件?
          2012-7-5
          制備非晶態合金,首先必須具備合適的成分,即具有足夠高的非晶形成能力(GFA);其次必須要有高的冷卻速度,冷速要大于材料的臨界冷卻速度RC。只有二者相結合,才能形成非晶態合金。

            在非晶態合金制備中,將一定成分的金屬合金熔液以足夠高的冷卻速度(一般大于106℃/s)從熔點Tm以上的溫度迅速降至玻璃態轉變溫度Tg以下,使結晶過程受阻而得到非晶態合金。在制備非晶態合金時,主要有以下問題必須考慮:

          1,選擇熔點較低的合金成分
          目前已發現的非晶態合金主要由Fe、Co、Ni和類金屬元素Si、B、P和C所組成。前者約占總量的80 at%,后者約占總量的20 at%。若類金屬元素的含量過多或過少,在目前的條件下都不易形成非晶。一般來說,熔點較低的成分較易形成非晶態合金,因此現在很多非晶態合金的成分都在共晶成分附近。常見的非晶態合金系有:過渡金屬—類金屬(TM-M), 例如:二元合金Fe-B(13~25 at%)、三元合金Fe- (Si-B)(13~35 at%);過渡金屬—金屬系(TM-MT)例如: Ni-Zr(33~42at%)、Fe-Zr(9~11at%);稀土金屬—過渡金屬系(RE-TM)。

          2,提高非晶態轉變溫度
          是一個動力學參量,它對于非晶合金的的形成有著重大影響,對相同成份的合金而言,玻璃轉變溫度Tg并非是一定值,而是受凝固條件的影響。不同的冷卻速率會導致不同的非晶態合金的轉變溫度 。陳鶴壽(H.S.Chen)的研究工作表明,尺度不同的相異原子之間的相互作用引起的短程有序,將使非晶態的轉變溫度Tg增高,引起過冷度降低,有利于非晶態的形成。故而,提高 ,一方面要提高冷卻速率,另一方面要加大不同原子之間的尺寸差,一般要超過約13%。

          3,降低臨界冷卻速率
          要得到非晶態,必須具有一定的冷卻速率。最常見的臨界冷卻速率定義為Uhlmann所提出,當結晶的體積分數X低于10-6時,即可視為非晶態。
          假設凝固時結晶相與液相成份相同,此假設可忽略形核過程中所需的潛伏期,且轉變成結晶相時,其自由能改變量DGv = DHfDTr,則形核率Iv:



          則合金結晶相的成長速率U可表示為:

            式中:a0:平均原子半徑;f:固相表面上有利于原子沉積或離去的位置分數。最密堆積為1,面心堆積為0.2。
            依據Johnson-Mehl-Avrami(J-M-A方程)轉變動力學方法,對于微小含量的結晶相,其體積分數X在給定溫度下,與時間(t)的關系式可表示為:

            將(1.1)與(1.2)式代入(1.3)式,并將X = 10-6代入,可得到溫度對時間的關系式:


            繪出溫度與時間的曲線,可得到TTT曲線圖,如圖所示。因此,非晶態合金的臨界冷卻速率RC,其線性冷卻曲線不能接觸到TTT曲線的尖端:



            TTT曲線圖中:(a)—快冷形成玻璃;(b)—玻璃等溫處理在時間tx時結晶;(c)—玻璃慢速加熱在溫度Tx時發生晶化。
            得到非晶態的臨界冷速可由理論推算,也可以由凝固過程的TTT或CCT曲線確定。假定TTT曲線上“鼻尖”處溫度和時間分別是Tn和tn則有:



            當冷卻速率大于臨界冷卻速率RC,且玻璃轉變溫度Tg越接近熔點溫度Tm時,越容易形成非晶態合金。

            總之,制備非晶態合金一方面要選用低共熔點的合金系,另一方面要有足夠高的冷卻速率,使形成的非晶態合金中的結晶的體積分數X低于10-6這個標準值,即可以認為已經成功的制備出非晶態合金。非晶態合金形成的條件及什么樣的物質能夠制造成非晶呢?從理論上說,只要冷速足夠大,任何物質都可以形成非晶態。但是,不同的物質形成非晶態所需要的冷卻速度大不相同。例如,普通的玻璃只要慢慢冷卻下來,便可得到非晶態的玻璃。而單一的金屬則需要每秒高達一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態。以目前的技術水平而言,在實際生產中是難以實現的,也就是說,普通的單一的金屬難以從生產上制造成非晶。

            為了獲得非晶態的金屬,一般將將金屬和類金屬元素以一定比例(一般以80:20的比例)混合,熔煉成制造非晶態合金的母合金。這是因為:1)合金的成分一般要滿足在冶金學上的所謂"共晶"點附近,它們的熔點遠低于純金屬;2)由于原子的種類多了,合金的原子在冷卻過程中更加難以遷移,就越容易保持原始(液態)狀態,也就是說更加容易被"凍結"成非晶。3)就工藝上要求有足夠高的冷卻速度,使得這種狀態得以保持下來。這樣才可能形成非晶態合金。例如,FeB合金只需要每秒一百萬度的冷卻速度就可以形成非晶。實際上,目前所有的實用非晶態合金都是兩種或兩種以上元素組成的合金,例如Fe-Si-B,FeNiPB,CoZr,ZrTiCuNi等。下圖是快淬法激冷噴制非晶帶材的工藝流程示意圖。



           


           

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