Amorphous Metal Alloys/zh
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| 地点 | 加拿大金斯顿 |
| 坐标 | 北纬 44° 13' 50.47"，西经 76° 28' 52.76" |
非晶态金属|非晶态金属合金W 因其非晶态原子结构而得名。因此，这种材料没有晶体结构。非晶态原子结构是玻璃|玻璃W的特征，因此这种材料也可以称为金属玻璃。非晶态结构是指金属中原子|原子W的无序排列。 [ 1 ]它们通常表现出比晶体金属更高的硬度|硬度W、屈服（工程）|屈服强度W和断裂|断裂应力W，以及相当的弹性模量|弹性模量W和剪切模量|刚度W 。强度来自于晶界|晶界W上滑移（材料科学）|滑移面W的缺乏，这是晶体结构|晶体结构W的结果。[ 2 ]
历史
非晶态金属结构是在 20 世纪 50 年代发现的，当时用大约 10 12 K/s（开尔文/秒）的速度对铅箔进行淬火。这使得凝固过程中不会发生结晶，从而保留了金属液态时原子的非晶态排列。零件的冷却需要将热量散发到周围环境中，因此零件的几何形状会在很大程度上影响其快速淬火的能力。非晶态结构的形成仅限于厚度约为 50 µm 的箔片。[ 3 ]然而，通过这一工艺获得的金属的独特性质将促成一类新型材料的诞生：金属玻璃，这主要归因于它们与玻璃一样具有非晶态原子结构。随着工艺和材料的进步，几厘米厚的块体金属玻璃 (BMG) 很快就形成了。 1969年，陈和特恩布尔在临界冷却速度100-1000°K/s下形成了Pd77.5Cu6Si16.5非晶球，直径为0.5毫米。[ 4 ]
形成
金属玻璃形成的主要原理是快速的冷却速度。从熔点（W）开始冷却的时间越长，晶粒就越大，因为原子有更多时间自行排列形成晶体。冷却速度可以加快到一定程度，晶粒不仅会变得非常小，而且很快就会完全不复存在。金属液态时原子的非晶态排列得以保留。[ 4 ]
由于非晶态结构形成的关键似乎在于阻止晶体的形成，因此可以通过破坏形成金属键（W）本身的力来直接实现这一目标。尺寸差异很大的金属难以结合，因此含有这些金属的合金需要更长的时间才能结晶。同一合金中原子半径差异巨大的排列被称为“混淆原理”。 [ 4 ]要形成玻璃，不同金属的原子半径必须至少相差12%。 [ 5 ]含有锆W、铝W、镍W和铜W等多种元素的合金，其临界冷却速率可低至1 K/s。临界冷却速率是指可达到非晶态结构的最低冷却速率。[ 6 ]
促进玻璃形成的另一种策略是根据熔化温度（Tm）和玻璃化转变温度（Tg）来选择合金的成分。合金的Tm越低、Tg越高，这两个温度之间的差异就越小，因此，在较低的冷却速率下形成玻璃所需的时间就越短。表1列出了块体金属玻璃（BMG）形成的相关温度。 [ 2 ]
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| 表 1：选定的 BMG 的玻璃形成能力与温度和棒直径的关系。[ 2 ] |
熔体旋压法是最早生产金属玻璃的工艺之一，其冷却速度可达每秒1000°K以上。这对于需要如此高冷却速度才能形成玻璃的合金而言至关重要。该工艺包括将熔融金属流倾倒在快速旋转的滚筒上。滚筒内部用液氮冷却。滚筒的快速旋转使得金属能够在短时间内薄薄地涂覆在滚筒上。采用传导冷却方法可以如此快速地冷却薄层金属。
更现代的合金不需要如此高的冷却速度。这一特性使得铸造成为可能，因为模具壁可以提供足够的冷却。液氮可以作为冷却模具壁的强力介质。热量只能通过金属外表面散热，因此冷却仍然高度依赖于金属部件的几何形状。
如图3所示，非晶态的形成取决于冷却曲线（例如蓝线）是否能够“避开”晶鼻。如图4所示，降低熔化温度（图中所示的T 1）并提高或维持玻璃形成温度，将产生斜率较小的冷却曲线，因此冷却速度较低，从而避开晶鼻。[ 3 ]
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| 图 3：冷却图。 [ 3 ] | 图 4：冷却图显示熔化温度较低。 [ 3 ] |
机械性能
这些玻璃的非晶态结构导致其缺乏滑移面（材料科学）|滑移面W，而滑移面 W 通常存在于具有晶粒|晶粒W和晶界|晶粒边界W 的材料中。因此，金属玻璃比晶体金属表现出更大的抗变形（力学）|变形W 的能力。这种特性通常会导致更大的维氏硬度试验|维氏硬度W (H v )、屈服（工程）|屈服应力W (σ Y ) 和断裂|断裂应力W (σ f )，如表 2 所示。其他特性包括弹性模量|弹性模量W (E)、剪切模量|刚度模量W (G)、体积模量|体积模量W (K) 和泊松比|泊松比W (v)，这些特性与其他现有工程材料相当。 [ 2 ]
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| 表 2：BMG 压缩试验获得的应力-应变曲线参数。 [ 2 ] |
晶界也是腐蚀的薄弱点，因为它们为所需的化学反应提供了更大的表面积。块体金属玻璃（BMG）缺乏晶界，降低了其腐蚀倾向。[ 7 ]
为了进行比较，表3给出了一些常见工程材料的特性。
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| 表3：常见工程材料的性能。[ 8 ] |
显然，表 2 中检测的铁基 BMG 的屈服应力约为钛合金 Ti-6Al-4V 的 3 倍，是结构钢 A36 的 10 倍以上，且弹性模量和刚度相当。[ 8 ] 金属玻璃的高屈服应力和因此而来的高抗变形能力赋予了它们极高的弹性和储存机械能的能力。[ 4 ]
由于块体金属玻璃（BMG）的刚度较高，其延展性较差，因此抗拉强度也较差。当施加较大的拉伸载荷时，它们会经历一种称为剪切带的现象，这种现象是由于局部剪切作用而发生的。[ 7 ]
形成方法
压铸
当压铸铁等材料时，其净体积会在冷却过程中显著减小，导致零件不精确，因此需要后续的表面精加工。压铸金属玻璃零件非常实用，因为几乎没有收缩。这主要有两个原因。首先，玻璃的形成使得玻璃中原子的排列与液体相同，因此基本上没有相变。由于原子不会重新排列，模具的体积不会发生变化，因此也没有收缩。其次，具有低Tm的合金比大多数碳钢（例如碳钢）需要更少的冷却。较小的温度变化也导致冷却过程中的收缩较少。金属玻璃的这些特性将使压铸件接近净形状，几乎不需要在铸造后进行额外的表面精加工。 [ 3 ]
热塑性成型
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| 图 2：BMG 热塑性成型相关元素的粗略示意图。 [ 9 ] |
BMG 可以通过热塑性成型制成相对复杂的形状。当玻璃的温度略高于 Tg 时，它具有足够的塑性，可以变形而不会破裂。如图 2 所示，将一块金属玻璃锭W压入模具中。由于成型过程发生在Tg以上，玻璃尚未凝固，如果在此温度下放置太久，玻璃仍会结晶。某些 BMG 合金具有足够的抗结晶能力，因此有足够的时间进行热塑性成型工艺，同时保持零件所需的性能。我们知道 BMG 仅限于较小的几何形状，但它们在冷却过程中的收缩率也很低。这些特性使热塑性成型适用于小型零件的成型。进行零件成型所需的平均压力用哈根-泊肃叶方程表示。[ 9 ]
L 为通道长度，d 为直径，η 为块体金属玻璃 (BMG) 的粘度，ν 为块体金属玻璃 (BMG) 沿通道向下移动的速度，p 为成型过程所需的压力。该模型表明，可行的最大成型压力约为 300 MPa，因此最小特征直径约为 10nm。[ 9 ]
工艺能耗降低
降低生产非晶态金属所需能量的最明显方法是制造熔点较低的金属。如果熔点较低，则将金属加热到适当温度所需的能量较少。相反，较低的熔点可以提高快速冷却金属过程的能源效率，因为在较小的温差下冷却金属所需的能量较少。较低的熔点更有可能导致较慢的临界冷却速率，因此更多的冷却效果可以归功于环境温度。强制冷却需要大量的能量才能达到比传统淬火更快的冷却速率。降低临界冷却速率主要会出于上述原因而减少能耗。
在块体金属玻璃（BMG）的生产过程中采用挤压铸造可以提高其效率。挤压铸造本质上是在大约100MPa的压力下进行的铸造工艺。在凝固过程中，高压使液态金属在整个过程中与模具壁保持接触。模具壁为材料提供冷却。这提高了散热效率，从而加快了冷却速度。金属的熔点和玻璃形成温度在较高压力下会升高。因此，在较低压力下熔化金属，并在较高压力下铸造，可以显著降低冷却过程中必须达到的温差。[ 10 ]
通过检验哈根-泊肃叶方程，可以推测出提高热塑性成型工艺效率的方法。如果提高成型速度并降低或维持所需压力，则可以提高效率。更高的成型速度可以减少热塑性成型所需的时间，从而在材料最终形状确定后为冷却过程提供更多时间。这可以通过改变待成型部件的几何形状轻松实现。在维持压力的同时，缩短部件长度并增加其直径可以提高成型速度。减少部件上特征的数量和复杂程度，其效果与增加直径相同。降低成型过程中金属的粘度可以提高成型效率。这可以通过改变金属成分，使其粘度更低，或尽可能在接近玻璃成型温度下进行成型来实现。 [ 9 ]
限制
尽管金属玻璃具有诸多优点，但其仍存在一些局限性。由于强度高，它通常表现出较低的弹性应变极限。材料在载荷作用下不会变形，但当达到断裂应力时，就会发生灾难性的失效。这在结构应用中可能非常危险，因为材料即将失效时，几乎没有视觉提示。
尽管金属玻璃的形成已经从不切实际的薄箔发展到直径几厘米的现代块体金属玻璃（BMG），但它们仍然局限于厚度较小且几何形状复杂的部件。
各种生产金属玻璃的工艺仍处于起步阶段，因此该材料的采用和生产尚未广泛普及。其生产成本远高于传统的晶体合金，因此应用范围有限。随着生产设施的扩建以适应工艺规模的扩大，该工艺在未来将变得更加经济可行。与当今大规模生产的钢材等材料一样，如此大规模地生产块体金属玻璃（BMG）很可能能够抵消小规模生产带来的单位产品间接成本。
金属玻璃由于其典型的玻璃形成温度较低，因此仅限于低温应用。如果将其置于超过其玻璃形成温度的环境中，它们会失去非晶态特性，并可能重新转变为晶体金属。[ 7 ]
应用程序
金属玻璃已在高端市场中得到应用，在这些市场中，无论成本如何，任何性能提升都是值得的。由于其刚性、硬度以及由此产生的耐刮擦性，金属玻璃已开始作为外壳出现在高端电子产品中。高硬度非常适合用于工具制造。由于没有原子级以上的长度尺度限制，金属玻璃没有晶粒结构，因此刀片可以被磨得锋利无比。这种特性在刀具（尤其是手术刀）中非常有用。
单位体积和质量的高弹性能量储存以及低阻尼使金属玻璃具有用作弹簧的潜力。高尔夫球杆和棒球棒等运动器材利用其高硬度和弹性能量特性，将能量良好地传递到抛射物。它们已成功应用于高尔夫球杆头和网球拍框架，这些材料都充分利用了这一特性。弹簧在设备中的其他潜在应用包括高速继电器。
信息存储和复制将利用金属玻璃没有晶粒结构和高硬度的特性。近原子尺度的特征可以通过模压或蚀刻到金属玻璃表面，制成用于复制超高密度数字数据的母版。[ 7 ]
小零件可以通过压铸来实现接近净形状的制造，而通过额外的加工来实现形状则既昂贵又不切实际。[ 4 ]
参考文献
- ↑跳转至：1.0 1.1 “技术 Liquidmetal Technologies。”Liquidmetal Technologies。Np，nd，2009 年 11 月 7 日星期六。http ://web.archive.org/web/20110518094601/http ://www.liquidmetal.com :80/technology/default.asp；
- ↑跳转至：2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Gu, X., Poon, SJ, Shiflet, GJ, Widom, M. (2008). 非晶钢延展性的改善：剪切模量和电子结构的作用。Acta Materialia, 56, 88-94。
- ↑跳转至：3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Schroers, J., Paton, N. (2006). 非晶态金属合金的形成类似于塑料。Advance Materials Processes, 2006年1月，61-63。
- ↑跳转至：4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Telford, M. (2004). 块体金属玻璃的案例. Materials Today, 2004年3月, 36-43.
- ↑ Lee, H., Cagin, T., Johnson, WL, Goddard III, WA (2003). 金属玻璃的形成标准：原子尺寸比的作用. Jornal Of Chemical Pysics, 119(18), 9858-9870.
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- ↑跳转至：8.0 8.1 R.C. Hibbeler，《材料力学》，第三版，Prentice Hall，1997 年。
- ↑跳转至：9.0 9.1 9.2 9.3 Schroers, J., Pham, Q., Desai, A. (2007). 块体金属玻璃热塑性成型——一种用于MEMS和微结构制造的技术. 微机电系统杂志, 16(2), 240-247.
- ↑ Kang, HG, Park, ES, Kim, WT, Kim, DH, Cho, HK (2000). Fabrication of Block Mg-Cu-Ag-Y Glassy Alloy by Squeeze Casting. Materials Transactions, 41(7), 846-849. 检索日期：2009年11月9日，摘自日本金属学会数据库。
