[拼音]：feijingtai jinshu

[外文]：amorphous metals

又名无定形金属或金属玻璃。它与具有晶体结构的一般金属不同，是一种没有原子的三维周期性排列的金属或合金固体；即在超过几个原子间距范围以外，不具有长程有序的晶体点阵排布。20世纪30年代前后，已有人采用蒸发或电沉积的方法制备出非晶态金属。但由于实验条件的限制，未能对其非晶态本质及其性能作系统深入的研究。直到1959年，美国的杜威兹 (P.Duwez)等报道了用液态Au81Si19合金直接快速冷却（冷却速率大于106K/s）而获得非晶态固体之后，非晶态金属的研究才广泛开展起来。与普通晶态金属相比，非晶态金属具有较高的强度，良好的磁学性能和抗腐蚀性能等，因而受到材料科学界和物理学界的重视。

最常用的是熔体急冷法，其基本原理是把一薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷基底上，从而达到快速导热、冷却金属的目的（如单辊法、双辊法等）；高的冷却速率 (105～1010K/s)可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的结晶成核和长大，而得到非晶态的固体。制备非晶态金属的其他方法，还有原子凝聚（溅射、蒸发、沉积）和表面非晶化处理（激光表面上釉、离子注入）以及辐射法等（见快冷微晶合金）。

形成非晶态的合金，大致可以分为两大类：一种是过渡族金属-类金属系，其类金属的组分约占15～25at％；另一种金属-金属系，其溶质金属的组分一般约占25～50at％。然而，有些超出这个成分范围的合金在急冷下也能形成非晶态的结构。根据计算机模拟结果，甚至纯金属也可用原子沉积法或在大于 1012K/s冷却速率下用熔体急冷法得到非晶态金属。金属合金形成非晶态的难易程度常称之为玻璃形成倾向。它视合金的成分不同，差异很大。从临界冷却速率理论考虑，合金的约化玻璃转变温度Trg(即玻璃转变温度Tg与合金熔化温度Tm之比Tg/Tm)越大，抑制结晶成核长大而形成非晶态所要求的临界冷却速率就越小，也就越容易形成非晶态。绝大多数非晶态合金的Trg都在0.4～0.6范围内，而实际得到的非晶态合金一般也都是在深共晶成分附近或熔点相对较低的合金成分上。从原子尺寸考虑，非晶态合金中两种组元原子半径（r1和r2）之比需满足r1/r2＜0.88，或r1/r2＞1.12的条件。从金属电子论角度出发，把非晶态金属当作近自由电子固体来处理，满足2kF=qp(kF为费密波矢之模，qp为结构因子第一峰的倒易距离)条件的合金成分，所形成的非晶态相比较稳定。

大致可以分为二大类：

（1）不连续的，如微晶模型和非晶集团模型，其微晶或非晶集团之间的界面结构，不同于微晶或非晶集团本身；

（2）连续的，即连续随机模型，其结构内部不存在任何边界。而目前较为普遍采用的是属于连续型的硬球随机密堆模型(dense random packing of hard spheres 简称DRPHS)。这个模型最初是1959年由英国人伯纳耳(J.D.Bernal)为液态物质提出的（见液态金属结构）。非晶态金属的结构与液态金属的结构相当接近。实验证实，非晶态金属固体的 X射线衍射对分布函数（对称分布函数）的形状与液态的相似（图1），

都有强的第一第二衍射峰，所不同的是非晶态固体的第二衍射峰存在劈裂现象，以及其无序程度不及液态金属。同时，一些非晶态金属的 X射线径向分布函数（random distribution function）即 RDF（r）与硬球随机密堆模型DRPHS的结果相当一致（图2）。

硬球随机密堆模型有几种可能的拓扑结构(图3)，对于金属-类金属型非晶态金属来讲，其金属原子间空隙被类金属所填充，类金属原子之间不存在最近邻接触（化学短程有序）。然而根据计算结果，所有这些空隙的大小都不足以容纳类金属原子。而类金属原子的填入，多少要使原来基本的随机密堆结构发生一些畸变。此外，由于非晶态金属中各种原子之间存在的作用势而导致不同成分的非晶态金属中类金属原子尺寸不同，从而导出了软球随机密堆 (dense random packingof soft spheres)即DRPSS的概念。至于金属-金属型非晶态金属，虽然实验结果表明其结构与上述的略有不同，然而，其基本结构单元仍然是随机密堆模型的四面体。

非晶态金属结构的实验研究，多采用X射线、电子或中子衍射方法。由衍射结果经数学处理而得到的径向分布函数常被用来描述其原子周围其他原子的统计分布情况，而对分布函数则进一步描述某原子周围同类原子或异类原子的统计分布情况。近年来，穆斯堡尔谱、正电子湮灭、核磁共振以及扩展X射线吸收精细结构(extendedX-ray absorption fine structure)即 EXAFS等新技术已被用于非晶态金属精细结构的研究。

非晶态金属的结构受制备时冷却速率、熔体金属过冷度等多种因素影响。一般来讲，冷却速率愈高，从熔体“冻结”下来的非晶态金属所包含的自由体积就愈多。非晶态金属从热力学上讲是处在非平衡状态，有向更稳定的低能态转变的趋势，发生结构弛豫和晶化。这种过程十分复杂，与成分、原子尺寸、电负性、结合能、位形熵以及材料制备工艺等因素有关。非晶态的结构低温弛豫（即在不改变玻璃态的条件下发生的结构由高能态向低能态的转变）是通过原子排布和化学组分的短程有序的改变来进行的。这种驰豫又可分成可逆的和不可逆的两部分。随着驰豫过程的发生，非晶态金属的许多性质也产生变化。

在高于晶化温度下，非晶态金属中的原子发生更大范围的迁移而发生晶化。非晶态金属的晶化过程可以是经过一个或几个亚稳的非晶态或晶态的中间态而转变成稳定晶态相，也可以连续地转变为稳定晶态相。非晶态的晶化反应是一种晶体的形核和长大的过程。视合金成分的不同，它可分为多形型(poly-morphous)、初晶型(primary)和共晶型(eutectic)三类。多形型晶化不发生成分的改变，其开始晶化形成的晶体的成分和非晶态基体相同。初晶型晶化则是某一种成分的晶体首先在非晶态基体上形核长大，通过成分的扩散，然后形成第二种晶体。共晶型晶化则类同于一般金属凝固中发生的共晶反应，也伴随有合金元素的扩散。非晶态金属成分不同，在非晶态基体中所形成的晶体相的自由能不同，则晶化的类型也不同。图4表示了其中三种成分Fe-B合金的典型的晶化反应方式。成分Fe86B14的晶化是以α-Fe晶体的析出开始，属于初晶型晶化方式；成分Fe80B20的晶化是以α-Fe+Fe3B共晶方式进行;而成分Fe75B25的晶化产物为Fe3B晶体，与母体成分相同，属于多形型晶化反应。这三种成分的Fe-B合金晶化后最终都将转变为自由能较低的α-Fe+Fe2B。一般来讲，非晶态金属的晶化会严重地损害非晶态金属许多优异的性能，如磁性、韧性和抗腐蚀性等。另一方面，非晶态金属有控制的部分或全部晶化却又是一种有用的工艺手段，如非晶态金属通过晶化，可以获得微晶粉末；通过有控制的部分晶化，晶体的钉扎作用使 (Mo，Ru)80B20非晶合金的超导临界电流密度大大提高。

无定形的结构使非晶态金属具有许多比普通晶态金属优异的性能。特别是近十年来，由于生产非晶态条带的各种工艺取得进展，已有不少性能可靠的产品，使其有可能在工程上实际应用。

非晶态金属的磁导率高、矫顽力低等，加上它的高硬度和强度，是很好的磁头材料，其性能和寿命均优于普通的晶态合金。非晶态金属的铁损小，仅为硅钢片的1/3～1/4，是较好的变压器铁芯材料。非晶态金属还具有零或负电阻温度系数的特点，可用来制作电阻器件。非晶态合金的发展方兴未艾。

参考书目

H.J. Leamy & J.J.Gilman eds.，Metallic Glasses，ASM，Metals Park，Ohio，1978.

Yoshio Waseda，The Structure of Non-CrystallineMaterials，McGraw-Hill，New York，1980.

H.J.Güntherodt & H.Beck eds.，Glassy Metals(I)，Springer Verlag，Berlin，1981.

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