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非晶合金在微觀結(jié)構(gòu)上具有短程有序，長(zhǎng)程無序的特點(diǎn)，這和玻璃結(jié)構(gòu)類似，非晶合金也因此被稱作“金屬玻璃”。這種無序結(jié)構(gòu)決定了非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，例如高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性和高耐腐蝕性等。因此，非晶合金在電子產(chǎn)品、體育用品、軍工材料、磁性材料、醫(yī)療器械和航空航天等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)80年代后期，日本東北大學(xué)Inoue教授課題組首次開發(fā)出了成分為Mg50Ni30La20的Mg基非晶合金，這種合金體系有較寬的過冷液相區(qū)(約為50K)和高的非晶形成能力。自此以后，Mg基非晶合金的研究正式拉開了序幕。2010年，Gu等制備出可用于生物醫(yī)學(xué)的Mg-Zn-Ca體系Mg基非晶合金，成為Mg基非晶合金的新的應(yīng)用方向。

目前，Mg基非晶合金的研究體系已經(jīng)從三元非晶合金發(fā)展到多元非晶合金，例如Mg-Cu-Ag-Ca，Mg-Cu-Ag-Y-Gd，Mg-Cu-Ag-Gd-Ni合金?，F(xiàn)在的Mg基非晶合金的研究對(duì)象主要包括Mg-Zn-Ca和Mg-TM-RE(TM，過渡元素;RE，稀土元素)兩個(gè)典型體系。

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Mg基非晶合金的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

(1)Mg基非晶合金的優(yōu)勢(shì)

①M(fèi)g基非晶合金與鎂合金

圖1總結(jié)了幾種典型非晶合金的彈性模量與抗拉強(qiáng)度、維氏硬度之間的關(guān)系，并給出了一些傳統(tǒng)晶體合金的數(shù)據(jù)用來作為對(duì)比。

圖1:非晶合金與晶態(tài)合金彈性模量、抗拉強(qiáng)度及維氏硬度的對(duì)比

由圖1可知，非晶合金的抗拉強(qiáng)度和維氏硬度均與其彈性模量大致呈線性關(guān)系，三者在傳統(tǒng)晶體合金中同樣表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。不同的是，非晶合金線性關(guān)系的斜率明顯大于傳統(tǒng)的晶體合金。這表明非晶合金與傳統(tǒng)晶體合金的基本力學(xué)性能有著顯著的差異。例如，Mg基非晶合金的彈性模量比傳統(tǒng)Mg合金略高，Mg基非晶合金的抗拉強(qiáng)度是傳統(tǒng)Mg合金的3~4倍，而前者的維氏硬度是后者的3倍左右。

除此之外，圖1中非晶合金數(shù)據(jù)的分散度明顯比傳統(tǒng)晶體合金小，這要?dú)w因于非晶合金內(nèi)部長(zhǎng)程無序、短程有序的原子排列方式。這種排列方式使得非晶合金內(nèi)部有效地避免了傳統(tǒng)晶體合金內(nèi)部存在的缺陷，例如位錯(cuò)、晶界、偏析等，從而非晶合金具有更好的力學(xué)性能。非晶合金與傳統(tǒng)晶體合金力學(xué)性能之間的差異最大可高達(dá)60%。盡管Mg基非晶合金的強(qiáng)度和硬度在非晶體系中處于較低水平，但已與高強(qiáng)度鋼相當(dāng);其密度僅為鋼的25%左右，因此，高的比強(qiáng)度是Mg基非晶合金最顯著的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。

②非晶形成能力高

Mg，Ti和Al都屬于密度較低的金屬，相比于Ti基和Al基非晶合金，Mg基非晶合金具有更高的非晶形成能力。Turnbull認(rèn)為公式Trg=Tg/Tm可以作為判定一種合金非晶形成能力的標(biāo)準(zhǔn)(Trg為約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度，Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，Tm為合金的液化溫度)。當(dāng)Tg/Tm=2/3時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室條件下金屬液表現(xiàn)出結(jié)晶遲滯現(xiàn)象，此時(shí)金屬液只能在一個(gè)很窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生結(jié)晶，這就使得該種金屬液可以在一個(gè)很低的冷卻速率下迅速過冷到玻璃態(tài)，從而形成非晶態(tài)合金。另一個(gè)用來判定合金非晶形成能力的參數(shù)是ΔTx(ΔTx=Tx-Tg，ΔTx為過冷液相區(qū)，Tx為晶化溫度)。試驗(yàn)表明兩個(gè)判定依據(jù)，在相當(dāng)一部分合金體系中并無明顯差異。

Mg基非晶合金自從20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)以來，合金體系的開發(fā)主要集中在Mg-Zn-Ca和Mg-(Cu,TM)-Re系(TM是和Cu相類似的過度金屬，例如Ag，Zn和Ni等;RE是指稀土元素，如Gd，Y和Nd等)。

表1:Mg基非晶合金的臨界尺寸及熱性能

由表1可知，所有的Mg基非晶合金都有較寬的過冷液相區(qū)(ΔTx)和高的非晶形成能力。

圖2:Mg基非晶合金組分范圍示意圖

如圖2所示，Mg基非晶合金具有很寬的組分范圍，同一個(gè)合金體系可以衍生出許多種成分差別細(xì)微但是性能顯著不同的非晶合金，因此Mg基非晶合金比傳統(tǒng)合金以及其他體系非晶合金具有更廣闊的應(yīng)用前景。

(2)Mg基非晶合金的挑戰(zhàn)

圖3:Mg基非晶合金、Mg合金復(fù)合材料與AZ31鎂合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較

圖3為室溫下得到的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可知，Mg基非晶合金和傳統(tǒng)Mg合金復(fù)合材料均比商用鎂合金具有更高的屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

圖3中顯示商用AZ31鎂合金的抗壓強(qiáng)度約為350MPa，Mg合金復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1040MPa，約為商用鎂合金的3倍，并且表現(xiàn)出較大的塑性變形。而Mg基非晶合金的抗壓強(qiáng)度為848MPa，在壓縮過程中表現(xiàn)為線彈性。但是Mg基非晶合金在斷裂前沒有明顯的塑性形變階段，即Mg基非晶合金斷裂方式為脆性斷裂。這種脆性的存在嚴(yán)重限制了Mg基非晶合金在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。

目前，為了改善Mg基非晶合金的脆性，主要有以下3個(gè)方面的探索：(1)添加第二相提高M(jìn)g基非晶合金的塑性;(2)摻雜碳納米管或者陶瓷顆粒制備復(fù)合材料提高塑性;(3)退火處理產(chǎn)生納米晶提高塑性。

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Mg基非晶合金的潛在應(yīng)用

隨著醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，人們逐漸可以對(duì)身體有殘疾或者病患的部位進(jìn)行修復(fù)或者采用人工植入材料替代，而人骨的修復(fù)和替代一直是醫(yī)學(xué)界的研究熱點(diǎn)。

研究表明，人骨的彈性模量大約為10~30GPa，而現(xiàn)在所用的人工植入材料主要有鈦合金、鈷-鉻合金、不銹鋼以及人造羥基磷灰石，其中前3種材料的彈性模量都在110GPa以上，人造羥基磷灰石的彈性模量相對(duì)較低，但是也在70GPa以上，仍然比正常人骨高出許多，這就有可能導(dǎo)致植入后產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，對(duì)人骨產(chǎn)生二次傷害。

由圖1可知，Mg基非晶合金的彈性模量在50GPa以下，這和人骨的彈性模量更接近，且Mg是人體中必須的微量元素，因此Mg合金及Mg基非晶合金適合作為人造骨骼材料而在醫(yī)學(xué)臨床上獲得應(yīng)用。

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展 望

由于Mg是活潑金屬，且自身脆性大，Mg基非晶合金的制備工藝尚待完善，其大規(guī)模生產(chǎn)和使用受到了限制。但經(jīng)過學(xué)者的不斷努力探索，相信不久的將來，Mg基非晶合金一定能夠作為結(jié)構(gòu)材料和生物醫(yī)用材料獲得廣泛應(yīng)用。