導讀

從1960年P.Duwez等人采用熔融急冷法制備出非晶合金薄帶后，非晶態合金正式入駐材料領域，眾多新體系和優良的性能不斷被發現。尤其是近二十年，大塊非晶合金的制備、開發和研究取得突破性的發展，其中Fe基非晶合金因其較高的強度、高耐蝕性、優良的軟磁性能以及較強的價格優勢從總多非晶合金中脫穎而出，倍受關注。

“非晶鋼”合金概念最早由S.Joseph Poon等人在2003年提出，研究結果發現直徑12mm的Fe基非晶合金的磁性轉變溫度遠低于室溫，也就是說在室溫下此晶態合金呈現出無磁性特性，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。無獨有偶，2004年Z.P.Lu等人提出了“Structural amorphous steel”結構非晶鋼概念，因此，一般把室溫下是非磁性，針對結構工程應用的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，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定性，同時減少了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實際工程應用。

非晶鋼成分設計思路：

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，增強了非晶結構的穩定性，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(質量分數)估計在10％左右這樣的原子尺寸分布能更加強化非晶結構，因為在構成骨架的原子中，難熔大原子具有高的配位數，而非金屬小原子占據其中間隙位置，這種結構能更有效的與主要組成Fe原子產生交互作用。

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，大大增加生產成本和加工的復雜性。針對這一問題，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平團隊與韓國國立慶北大學合作，采用工業生鐵、工業鐵合金和商業梯度純元素，使用電弧熔煉和銅模吸鑄法成功制備出臨界尺寸7mm工業級Fe69.9C7.1Si3.3B5.5P8.7Al2.0Mo2.5Co1.0非晶鋼，該合金表現出很強的玻璃形成能力和熱穩定性，具有較低的液相線。

雖然無磁非晶鋼的開發及研究存在成分敏感、氧化物雜質等影響嚴重、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用前景。相比于傳統的晶態結構的鋼材，大塊非晶鋼具有很多突出的優異性能。大塊非晶鋼的屈服強度是傳統高強鋼的兩至三倍，彈性模量相當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，更高的熱穩定性(玻璃轉變溫度接近于或高于900 K)等眾多的優異性能，使得大塊無磁非晶鋼作為一種新的結構材料被廣泛看好。大塊無磁非晶鋼可以用作未來海軍艦船的表面防護，其無磁、強抗海水腐蝕能力、高強度的特點使得無磁非晶鋼船體在反探測、服役壽命、抗打擊能力方面，具有傳統的晶態鋼材無法比擬的優勢。大塊無磁非晶鋼還有希望用作穿甲炮彈的彈芯，它的高強度高硬度、極其優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。同時大塊無磁非晶鋼在機械結構材料、工具材料、耐腐蝕材料、生物醫學材料、運動器材材料方面都存在廣闊的潛在應用前景。

作者：METAL LAB 張工