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導(dǎo)讀

從1960年P(guān).Duwez等人采用熔融急冷法制備出非晶合金薄帶后，非晶態(tài)合金正式入駐材料領(lǐng)域，眾多新體系和優(yōu)良的性能不斷被發(fā)現(xiàn)。尤其是近二十年，大塊非晶合金的制備、開發(fā)和研究取得突破性的發(fā)展，其中Fe基非晶合金因其較高的強(qiáng)度、高耐蝕性、優(yōu)良的軟磁性能以及較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢從總多非晶合金中脫穎而出，倍受關(guān)注。

“非晶鋼”合金概念最早由S.Joseph Poon等人在2003年提出，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)直徑12mm的Fe基非晶合金的磁性轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于室溫，也就是說在室溫下此晶態(tài)合金呈現(xiàn)出無磁性特性，因此提出“Amorphous nonferromagnetic steel alloys”無磁性非晶鋼合金概念。在這一研究成果中，誕生了第一個最大成型尺寸為12mm的Fe48Cr15Mo14Er2C15B6非晶鋼成分。無獨(dú)有偶，2004年Z.P.Lu等人提出了“Structural amorphous steel”結(jié)構(gòu)非晶鋼概念，因此，一般把室溫下是非磁性，針對結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的Fe基塊體非晶合金成為無磁非晶鋼，簡稱非晶鋼。

目前報(bào)道的非晶鋼主要包括Fe-Mo-(B,C)系、Fe-Zr-B系、Fe-Cr-Co-Mo-C-B系和Fe-Mn-Cr-Mo-(Y,Ln)-C-B系，其中含Er、Y、Dy元素的非晶鋼成型能力較好，臨界直徑達(dá)到12mm。而添加較輕的Ln系元素，例如La、Ce\NbSm和Eu元素并不能明顯提高玻璃形成能力，甚至有不利的一面。

在國內(nèi)，中科院物理所率先開展了無磁非晶鋼的研究。2005年2月駱重陽、潘明祥等人在Fe48Cr15Mo14Er2C15B6的基礎(chǔ)上增加 Fe的含量, 相對減少 Cr，Mo，B和Er的比例，合成制備了Fe56Mn5Cr7Mol2Er2C12B6非晶鋼，tmax=8mm，Tg=793K，Tx=832K，ΔT=39K，Trg=0.566；此成分的非晶鋼既提高了Fe的含量，又保持了較大的非晶形成能力和熱穩(wěn)定性，同時(shí)減少了Cr，Mo，B這類較貴金屬和類金屬的用量，降低了制備成本，從而更好地將非晶鋼推向?qū)嶋H工程應(yīng)用。

非晶鋼成分設(shè)計(jì)思路：

1) 抑制磁性效果，Mn和少量的Cr是常用來抑制鐵磁性的添加元素；

2) 降低Tl獲得高Trg，添加非金屬元素、Mn和難熔金屬Zr、Nb、Mo來降低Tl,但添加Cr會提高Tl;

3) 提高Tg,難熔金屬的加入提高了彈性模量，增強(qiáng)了非晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了Tg;

4) 擬定合金成分，考慮三種不同尺寸原子，即Fe(Mn)原子，非金屬小原子和難熔金屬大原子之間的配比，而最佳的大原子含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))估計(jì)在10％左右這樣的原子尺寸分布能更加強(qiáng)化非晶結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵跇?gòu)成骨架的原子中，難熔大原子具有高的配位數(shù)，而非金屬小原子占據(jù)其中間隙位置，這種結(jié)構(gòu)能更有效的與主要組成Fe原子產(chǎn)生交互作用。

雖上述合金成分有較高的玻璃形成能力，但必須使用高純元素在較高的真空度下制備，大大增加生產(chǎn)成本和加工的復(fù)雜性。針對這一問題，北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平團(tuán)隊(duì)與韓國國立慶北大學(xué)合作，采用工業(yè)生鐵、工業(yè)鐵合金和商業(yè)梯度純元素，使用電弧熔煉和銅模吸鑄法成功制備出臨界尺寸7mm工業(yè)級Fe69.9C7.1Si3.3B5.5P8.7Al2.0Mo2.5Co1.0非晶鋼，該合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的玻璃形成能力和熱穩(wěn)定性，具有較低的液相線。

雖然無磁非晶鋼的開發(fā)及研究存在成分敏感、氧化物雜質(zhì)等影響嚴(yán)重、合成條件苛刻和Fe含量低等問題，但絲毫不影響其巨大且喜人的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)的晶態(tài)結(jié)構(gòu)的鋼材，大塊非晶鋼具有很多突出的優(yōu)異性能。大塊非晶鋼的屈服強(qiáng)度是傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼的兩至三倍，彈性模量相當(dāng)于超級奧氏體鋼合金。

另外，在室溫下不具有鐵磁性，更低的原材料成本，更好的抗腐蝕能力，更高的熱穩(wěn)定性(玻璃轉(zhuǎn)變溫度接近于或高于900 K)等眾多的優(yōu)異性能，使得大塊無磁非晶鋼作為一種新的結(jié)構(gòu)材料被廣泛看好。大塊無磁非晶鋼可以用作未來海軍艦船的表面防護(hù)，其無磁、強(qiáng)抗海水腐蝕能力、高強(qiáng)度的特點(diǎn)使得無磁非晶鋼船體在反探測、服役壽命、抗打擊能力方面，具有傳統(tǒng)的晶態(tài)鋼材無法比擬的優(yōu)勢。大塊無磁非晶鋼還有希望用作穿甲炮彈的彈芯，它的高強(qiáng)度高硬度、極其優(yōu)異的抗沖擊和耐蝕性能，使之有可能成為最有前途的貧鈾穿甲彈的替代材料。同時(shí)大塊無磁非晶鋼在機(jī)械結(jié)構(gòu)材料、工具材料、耐腐蝕材料、生物醫(yī)學(xué)材料、運(yùn)動器材材料方面都存在廣闊的潛在應(yīng)用前景。

作者：METAL LAB 張工