摘要：非晶合金由于其具有晶體金屬或者合金所不具備的優(yōu)良性能，因而在近幾十年得到廣泛的應(yīng)用和研究。非晶體因其不具備長(zhǎng)程有序性、周期性結(jié)構(gòu)和宏觀對(duì)稱性等特點(diǎn)，因此它的微觀結(jié)構(gòu)顯得較為復(fù)雜，我們很難對(duì)其像晶體那樣作精確描述。正因?yàn)槿绱?，?duì)于非晶合金所表現(xiàn)出的一些現(xiàn)象，我們還不能夠很好地解釋。對(duì)于非晶合金，當(dāng)其溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，將發(fā)生晶化現(xiàn)象，目前我們尚不清楚其中的微觀機(jī)理。本文將結(jié)合非晶合金的一些特性簡(jiǎn)要分析非晶合金晶化過程的微觀機(jī)理。

一、引言

非晶合金是由超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金。相比晶態(tài)合金，它不具有長(zhǎng)程有序性、周期性結(jié)構(gòu)和宏觀對(duì)稱性。沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界的存在。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。

非晶材料也稱玻璃態(tài)材料，從外表來看，非晶材料屬于固體，它具有一般固體所具有的剛性。之所以稱它們?yōu)榉蔷Р牧?，是因?yàn)樗鼈兣c晶體材料相比，它不具有晶體所具有的長(zhǎng)程有序性、周期性結(jié)構(gòu)和宏觀對(duì)稱性等特點(diǎn)。從微觀層面上來看，非晶材料與熔體相似，它們的原子處于無規(guī)則排列狀態(tài)，不像晶體材料那樣具有一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。但同時(shí)，它們與熔體又有明顯差異，非晶材料的原子不具有長(zhǎng)程擴(kuò)散和遷移的特點(diǎn)。玻璃化轉(zhuǎn)變具有一系列的現(xiàn)象，目前還沒有一個(gè)普適的理論能在物理上去完備的描述這些現(xiàn)象。

非晶合金由于其處于亞穩(wěn)態(tài)，在溫度波動(dòng)時(shí)，受原子振動(dòng)的作用，這種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生一定程度的改變。尤其，當(dāng)溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，原子的擴(kuò)散加劇，體系的能量會(huì)跨過勢(shì)壘并且從亞穩(wěn)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)，非晶合金將發(fā)生晶化。在非晶合金晶化的過程中，其微觀機(jī)制尚不清楚。本文主要從微觀層面上唯象地簡(jiǎn)要分析非晶合金的晶化機(jī)理。

二、非晶合金的特性

與塊體的晶態(tài)合金相比，非晶合金有許多優(yōu)良特性，如高硬度、高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、超塑性、較好的軟磁性。

非晶合金由于具有短程有序和長(zhǎng)程無序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與相應(yīng)的晶態(tài)合金相比，它沒有晶界、位錯(cuò)等晶體常見的缺陷，因而具有很高的強(qiáng)度、彈性變形能力和相對(duì)較低的楊氏模量。

由于塊體非晶合金不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，也沒有成分偏析和第二相析出，這種結(jié)構(gòu)和分布的均勻性，使其具有良好的抗腐蝕特性。加之，非晶合金自身的活性很高，表面相對(duì)容易形成致密、均勻的隔離層，使基體與外界不能接觸。

鐵磁性大塊非晶合金結(jié)構(gòu)均勻，沒有晶界和磁晶各向異性，通常也不存在對(duì)磁疇壁運(yùn)動(dòng)有釘扎作用的沉淀相和雜質(zhì)等，而且電阻率高，因此具有優(yōu)異的軟磁性能。雖然大量溶質(zhì)元素的加入對(duì)鐵磁性大塊非晶合金的磁化強(qiáng)度有一定的影響，但其高的磁導(dǎo)率以及低的矯頑力、磁損和磁致收縮料，尤其是其高頻磁性能是其它任何軟磁材料都無法相比的。

三、非晶合金的結(jié)構(gòu)模型

相對(duì)于長(zhǎng)程有序的晶體材料，非晶體中原子分布是長(zhǎng)程無序、無規(guī)則排列的。對(duì)于其微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué)家提出了五種主要的理論模型。分別是：微晶模型、無規(guī)硬球模型、立體化學(xué)模型、密堆團(tuán)簇模型、準(zhǔn)等同團(tuán)簇模型。由于非晶體的復(fù)雜性，這些模型在解釋非晶體的特殊性質(zhì)時(shí)，并不能很全面地幫助我們理解非晶體的特性。

非晶合金是由熔體超速冷凝而形成，合金凝固時(shí)原子未能發(fā)生結(jié)晶。由于其不具有有序排列的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其相比平衡態(tài)下的晶體合金有著更高的吉布斯自由能，但又由于其原子擴(kuò)散受到限制，非晶體處于一種相對(duì)穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金溫度升高時(shí)，原子的擴(kuò)散和遷移將隨之增強(qiáng)，隨著溫度達(dá)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，體系的能量將超過勢(shì)壘高度，非晶合金將發(fā)生晶化。

四、非晶合金的晶化機(jī)理簡(jiǎn)要分析

對(duì)于非晶態(tài)合金, 不同原子體系中的擴(kuò)散難易程度不同。在一般情況下, 體系中的原子具有相同的自由度，因而其中的原子能量接近于平均能量。當(dāng)原子具有的能量相同時(shí), 質(zhì)量較輕的原子具有較大的速度，體積較小的原子受到的阻力較小。這些小質(zhì)量、小體積的原子將比大質(zhì)量、大體積的原子更易于在體系中做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng), 而成為晶化過程的主要推動(dòng)者。而大質(zhì)量原子則主要進(jìn)行局域調(diào)整, 使之滿足晶化的成分和結(jié)構(gòu)要求。而處于結(jié)構(gòu)缺陷中心及其附近的原子由于已具有一定的畸變能, 將較處于小原子團(tuán)內(nèi)部的原子易于擴(kuò)散。

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