非晶合金晶化过程的微观机理探讨

摘要：非晶合金由于其具有晶体金属或者合金所不具备的优良性能，因而在近几十年得到广泛的应用和研究。非晶体因其不具备长程有序性、周期性结构和宏观对称性等特点，因此它的微观结构显得较为复杂，我们很难对其像晶体那样作精确描述。正因为如此，对于非晶合金所表现出的一些现象，我们还不能够很好地解释。对于非晶合金，当其温度达到玻璃态转变温度时，将发生晶化现象，目前我们尚不清楚其中的微观机理。本文将结合非晶合金的一些特性简要分析非晶合金晶化过程的微观机理。

一、引言

非晶合金是由超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金。相比晶态合金，它不具有长程有序性、周期性结构和宏观对称性。没有晶态合金的晶粒、晶界的存在。这种非晶合金具有许多独特的性能，由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

非晶材料也称玻璃态材料，从外表来看，非晶材料属于固体，它具有一般固体所具有的刚性。之所以称它们为非晶材料，是因为它们与晶体材料相比，它不具有晶体所具有的长程有序性、周期性结构和宏观对称性等特点。从微观层面上来看，非晶材料与熔体相似，它们的原子处于无规则排列状态，不像晶体材料那样具有一定的点阵结构。但同时，它们与熔体又有明显差异，非晶材料的原子不具有长程扩散和迁移的特点。玻璃化转变具有一系列的现象，目前还没有一个普适的理论能在物理上去完备的描述这些现象。

非晶合金由于其处于亚稳态，在温度波动时，受原子振动的作用，这种亚稳态结构将会发生一定程度的改变。尤其，当温度达到玻璃态转化温度时，原子的扩散加剧，体系的能量会跨过势垒并且从亚稳态过渡到稳态，非晶合金将发生晶化。在非晶合金晶化的过程中，其微观机制尚不清楚。本文主要从微观层面上唯象地简要分析非晶合金的晶化机理。

二、非晶合金的特性

与块体的晶态合金相比，非晶合金有许多优良特性，如高硬度、高强度、高耐腐蚀性、超塑性、较好的软磁性。

非晶合金由于具有短程有序和长程无序的结构特点，与相应的晶态合金相比，它没有晶界、位错等晶体常见的缺陷，因而具有很高的强度、弹性变形能力和相对较低的杨氏模量。

由于块体非晶合金不存在晶界、位错等晶体缺陷，也没有成分偏析和第二相析出，这种结构和分布的均匀性，使其具有良好的抗腐蚀特性。加之，非晶合金自身的活性很高，表面相对容易形成致密、均匀的隔离层，使基体与外界不能接触。

铁磁性大块非晶合金结构均匀，没有晶界和磁晶各向异性，通常也不存在对磁畴壁运动有钉扎作用的沉淀相和杂质等，而且电阻率高，因此具有优异的软磁性能。虽然大量溶质元素的加入对铁磁性大块非晶合金的磁化强度有一定的影响，但其高的磁导率以及低的矫顽力、磁损和磁致收缩料，尤其是其高频磁性能是其它任何软磁材料都无法相比的。

三、非晶合金的结构模型

相对于长程有序的晶体材料，非晶体中原子分布是长程无序、无规则排列的。对于其微观结构，科学家提出了五种主要的理论模型。分别是：微晶模型、无规硬球模型、立体化学模型、密堆团簇模型、准等同团簇模型。由于非晶体的复杂性，这些模型在解释非晶体的特殊性质时，并不能很全面地帮助我们理解非晶体的特性。

非晶合金是由熔体超速冷凝而形成，合金凝固时原子未能发生结晶。由于其不具有有序排列的微观结构，导致其相比平衡态下的晶体合金有着更高的吉布斯自由能，但又由于其原子扩散受到限制，非晶体处于一种相对稳定的亚稳态。当亚稳态的非晶合金温度升高时，原子的扩散和迁移将随之增强，随着温度达到玻璃态转变温度，体系的能量将超过势垒高度，非晶合金将发生晶化。

四、非晶合金的晶化机理简要分析

对于非晶态合金, 不同原子体系中的扩散难易程度不同。在一般情况下, 体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。当原子具有的能量相同时, 质量较轻的原子具有较大的速度，体积较小的原子受到的阻力较小。这些小质量、小体积的原子将比大质量、大体积的原子更易于在体系中做扩散运动, 而成为晶化过程的主要推动者。而大质量原子则主要进行局域调整, 使之满足晶化的成分和结构要求。而处于结构缺陷中心及其附近的原子由于已具有一定的畸变能, 将较处于小原子团内部的原子易于扩散。

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