金属玻璃的结构特点及其对力学行为的影响

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1、金属玻璃的结构特点及其对力学行为的影响金属玻璃，亦名非晶态合金、玻璃态合金，不仅集金属和玻璃的优点于一身，还克服了它们各自的弊病[1]。该类材料是将熔融的母材以＞106℃/s的速度急速冷却而成，其原子在凝固过程中的排列来不及有序化，故形成了长程无序的非晶状态，与通常情况中具有周期性和对称性原子排布的金属晶体材料不同，因而称之为“非晶合金”[2]。又由于这种原子排列与玻璃等传统非晶材料类似，所以也叫“金属玻璃”。其强度高于钢，硬度超过高硬度工具钢，且具有一定的韧性和刚性。因此人们赞誉其为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”[1]。1962年[3]，杜韦兹发明了快速凝固技术，从Au-Si合金

2、熔体中首次制备出了非晶合金，非晶概念才开始与固态金属与合金联系在一起。今天，随着更多金属玻璃及其独特性能的发现，此类物质已然成为了一种重要的功能材料[1]。那么，非晶态合金的微观结构究竟是什么样，使其能有如此特殊的性能？这些结构上的特点又是如何影响其力学性能和力学行为的呢？下面本文就来回答这些问题。金属玻璃的微观结构介于有序和无序之间：原子在三维空间排列没有规律性，这种特点称为远程无序；然而，局部区域可能存在规则排列，这类现象叫做近程有序。在短程有序区域中，质点排布与晶体相似，但此类区域是高度分散的。实际上，非晶合金的原子排列近似于液体，但它与液体又有不同：一方面，液体中原子极易滑动

3、，粘滞系数很小，而金属玻璃中原子无法滑动，粘滞系数约为液体的1014倍，具有相当大的刚性与固定形状；另一方面，液体中质点随机排列，除局部结构起伏外，几乎是一团乱麻，而非晶合金中原子排布虽也无序，但并非完全混乱，而是破坏了长程有序的周期性和平移对称性，形成了一种有缺陷的、不完整的有序，即最近邻或局域近程有序（在小于几个原子间距的区域内保持位形和组分的某些有序特征，而在这些区域外便不存在长程有序的点阵排布了。通常情况下，金属玻璃的短程有序区＜1.5nm，即不超过4～5个原子间距[2]。）。也就是说，金属玻璃中存在较小区间的近程有序，近邻或次近邻原子的键合具有一定规律性，但无任何长程有序。

4、非晶合金的短程有序又可分为化学近程有序和拓扑近程有序2种：1．化学近程有序非晶态金属至少含有两个组元，除了不同类原子的尺度差别、稳定相结构和原子长程迁移率等因素以外，不同类原子之间的原子作用力在非晶态合金的形成过程中起着重要作用。化学短程有序的影响通常只局限于近邻原子，因此一般用近邻组分与平均值之差作为化学短程有序参数D，对于二元A-B体系为：D=1-ZABCB=1-ZBACA其中ZAB和ZBA分别代表与A（或B）原子最近邻的B（或A）原子的个数，CA和CB分别是A与B原子在合金中的平均浓度。2．拓扑近程有序指围绕某一原子的局部结构的短程有序，常用原子分布函数、干涉函数、近邻原子距离

5、与配位数和质量密度等函数和参数来表征这一性质。设非晶合金是各向同性的，则其平均原子密度ρ0就等于体积为V的材料中含有的原子总数N：ρ0=NV描述某一原子附近的密度变化可用径向分布函数RDF(r)：RDF(r)=4πr2·ρ(r)其中r是距某中心原子的距离，ρ(r)是距离为r处的原子密度。由上式可知：RDF(r)·dr代表以某个原子为中心，在距离等于r处、厚度为dr的球壳内的原子数，从而RDFr=dNdr表示原子密度随距离的变化。定义约化径向分布函数G(r)为：G(r)=4πr·[ρ(r)-ρ0]该函数是通过利用x射线衍射得到结构因数S(Q)，然后对其作傅立叶变换而获得的。由上式可知，

6、函数值随着与中心原子的距离增大而呈有规律的起伏。显然，前面各函数中，原子密度ρ(r)和原子径向分布函数RDF(r)有明确物理意义。G(r)的物理意义虽然不明确，但它同RDF(r)一样能反映非晶态结构特征，因此也经常用来表征非晶态结构。和普通晶态金属与合金相比[2]，尽管非晶态合金内质点排列不那么规则，但由于原子间结合力较大，特别是金属-类金属非晶中原子键合比一般晶态合金强得多，故金属玻璃具有很高的强度、硬度和较高的刚度，是强度最高的实用材料之一。事实上，块体非晶合金的σb往往超过同成分晶态合金的数倍。非晶合金的σb普遍超过2GPa，其中Co43Fe20Ta5.5B3.5的σb是惊人的

7、5.185GPa，是目前自然界强度最高的金属材料[4]。另外，近年来发展的铝基金属玻璃也具有2倍于常规铝基合金的强度，并兼有良好的韧性和耐腐蚀性，有望成为新型优质结构材料[5]。表1列出了部分金属玻璃的强度、硬度和弹性模量。表1部分金属玻璃的强度、硬度和弹性模量非晶合金种类σs/GPaσb/GPaHV/MPaE/GPaNi36Fe32Cr14P12B62.738.63141.0Ni40Fe20P14B4Si22.352.387.77129.0Fe80P16