非晶合金(Amorphous Alloys)是采用现代快速凝固冶金技术而成,兼有一般金属和玻璃优异的力学、物理和化学性能的新型非晶金属玻璃材料。非晶合金也被称为金属玻璃或液态金属,其组成的内部原子排列为短程有序、长程无序的玻璃态结构,其结构和成分比晶态合金更均匀。
缺陷和化学微观结构之间的类比:
(a)晶体材料的熔体结构;(b)缓慢冷却得到的晶体结构;
(c)晶体材料的微观缺陷结构和(d)晶体材料微观化学结构;
(a)非晶材料的熔体结构;(f)快速冷却得到的非晶结构;
(g)非晶材料的微观缺陷结构和(h)非晶材料微观化学结构;
严格来说,液态金属(Liquid Metals)和金属玻璃(Glassy Metals orBulk Metallic Glass)也是两个不同的概念。金属的凝固过程中需要经历一个过冷液相区,即玻璃化转变温度与晶化温度这一温度区间,溶体结构在该温度范围内被迅速冻结,形成金属玻璃,而液态金属是从液态结构直接冻结而来。
在非晶合金的开发方面,目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土(如La、Nd、Ce)基等在内的数十种合金体系。目前非晶合金一共有非晶薄带、非晶粉末、块体非晶这几种形式。液态金属中以Ga合金较为常见。(室温下的液态金属有Hg、Cs、Fr和Ga,熔点分别是-38.87℃、28.65℃、27℃和29.8℃)
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非晶合金形成的热力学
非晶合金是一种亚稳态材料。
从能量的观点来看,平衡自由能G=U-TS,非晶相的获得是体系内能U和熵S竞争的结果。体系粒子间的相互作用会导致U降低,倾向于有序化;温度T和熵使得体系无序化。在凝固过程中过冷液体(接近非晶相的自由能)和结晶相之间的吉布斯自由能差Gl-s(T)决定了体系是够能形成非晶态。小的Gl-s(T)意味着小的熔化焓变或是大的熔化熵变,即熵在内能和熵的竞争中占优势,这会降低晶化驱动力,有利于非晶的形成。结晶驱动力与过冷度密切相关,过冷度大结晶驱动力也大。
2个同素异形晶态相。
根据自由能图,可以估判非晶形成的成分区域、非晶形成能力、非晶形成驱动力。非晶相在等成分附近相比晶态相具有较低的自由能,因而在相竞争过程有优势。从相图来看,合金体系是否存在深共晶点和该体系的非晶形成能力密切相关,在非平衡条件下,合金体系易形成深亚稳共晶点,使得体系具有非晶形成能力。