非晶合金晶化過程的微觀機理探討

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良性能，因而在近幾十年得到廣泛的應用和研究。非晶體因其不具備長程有序性、周期性結構和宏觀對稱性等特點，因此它的微觀結構顯得較為復雜，我們很難對其像晶體那樣作精確描述。正因為如此，對于非晶合金所表現出的一些現象，我們還不能夠很好地解釋。對于非晶合金，當其溫度達到玻璃態轉變溫度時，將發生晶化現象，目前我們尚不清楚其中的微觀機理。本文將結合非晶合金的一些特性簡要分析非晶合金晶化過程的微觀機理。

一、引言

非晶合金是由超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金。相比晶態合金，它不具有長程有序性、周期性結構和宏觀對稱性。沒有晶態合金的晶粒、晶界的存在。這種非晶合金具有許多獨特的性能，由于它的性能優異、工藝簡單，從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。

非晶材料也稱玻璃態材料，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。之所以稱它們為非晶材料，是因為它們與晶體材料相比，它不具有晶體所具有的長程有序性、周期性結構和宏觀對稱性等特點。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則排列狀態，不像晶體材料那樣具有一定的點陣結構。但同時，它們與熔體又有明顯差異，非晶材料的原子不具有長程擴散和遷移的特點。玻璃化轉變具有一系列的現象，目前還沒有一個普適的理論能在物理上去完備的描述這些現象。

非晶合金由于其處于亞穩態，在溫度波動時，受原子振動的作用，這種亞穩態結構將會發生一定程度的改變。尤其，當溫度達到玻璃態轉化溫度時，原子的擴散加劇，體系的能量會跨過勢壘并且從亞穩態過渡到穩態，非晶合金將發生晶化。在非晶合金晶化的過程中，其微觀機制尚不清楚。本文主要從微觀層面上唯象地簡要分析非晶合金的晶化機理。

二、非晶合金的特性

與塊體的晶態合金相比，非晶合金有許多優良特性，如高硬度、高強度、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程無序的結構特點，與相應的晶態合金相比，它沒有晶界、位錯等晶體常見的缺陷，因而具有很高的強度、彈性變形能力和相對較低的楊氏模量。

由于塊體非晶合金不存在晶界、位錯等晶體缺陷，也沒有成分偏析和第二相析出，這種結構和分布的均勻性，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構均勻，沒有晶界和磁晶各向異性，通常也不存在對磁疇壁運動有釘扎作用的沉淀相和雜質等，而且電阻率高，因此具有優異的軟磁性能。雖然大量溶質元素的加入對鐵磁性大塊非晶合金的磁化強度有一定的影響，但其高的磁導率以及低的矯頑力、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、非晶合金的結構模型

相對于長程有序的晶體材料，非晶體中原子分布是長程無序、無規則排列的。對于其微觀結構，科學家提出了五種主要的理論模型。分別是：微晶模型、無規硬球模型、立體化學模型、密堆團簇模型、準等同團簇模型。由于非晶體的復雜性，這些模型在解釋非晶體的特殊性質時，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，合金凝固時原子未能發生結晶。由于其不具有有序排列的微觀結構，導致其相比平衡態下的晶體合金有著更高的吉布斯自由能，但又由于其原子擴散受到限制，非晶體處于一種相對穩定的亞穩態。當亞穩態的非晶合金溫度升高時，原子的擴散和遷移將隨之增強，隨著溫度達到玻璃態轉變溫度，體系的能量將超過勢壘高度，非晶合金將發生晶化。

四、非晶合金的晶化機理簡要分析

對于非晶態合金, 不同原子體系中的擴散難易程度不同。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。當原子具有的能量相同時, 質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。這些小質量、小體積的原子將比大質量、大體積的原子更易于在體系中做擴散運動, 而成為晶化過程的主要推動者。而大質量原子則主要進行局域調整, 使之滿足晶化的成分和結構要求。而處于結構缺陷中心及其附近的原子由于已具有一定的畸變能, 將較處于小原子團內部的原子易于擴散。

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