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金属玻璃的奥秘（第1页）

金属玻璃的奥秘

在电影《终结者2》中，邪恶的机器人由一种液态金属制成，他可以随随便便变为直升飞机或其他任何形状的东西，甚至可以从门缝下“流”过去。而这种神奇材料在现实生活中也的确存在，那就是金属玻璃。如今，科学家已经研制出可与电影中机器人媲美的金属玻璃，其强度是目前最好的工业用钢材料的3倍，柔韧性则是钢的10倍。

*金属玻璃的结构及特性

20世纪60年代，美国科学家皮·杜威等首先发现，在冷却速度非常快的情况下，金一硅合金等液态贵金属合金由于其内部的原子来不及排好顺序，仍处于无序紊乱状态时，就可以马上凝固，成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，因此也被称为“金属玻璃”。

金属玻璃是一种特殊的合金材料。一般意义上，金属原子都是有序排列的晶体结构，而在金属玻璃的原子排列如同**或玻璃一样杂乱无章。虽然从严格意义上来说，金属玻璃并非液态，但因为它可以像**一样随意流动，没有固定的外形。因此，在进行市场宣传时，一些商家仍以“液态金属”这个更便于记忆的形象名称来称呼它。

金属玻璃具有不寻常的结构，以及金属一样的硬度和韧性、塑料一样的可塑性，已经成为一种具有良好应用前景的未来材料。原子在晶体金属或合金中，都是在一个个被称为晶粒的区域内整齐排列，而这种合金材料最为脆弱的部位就是晶粒之间的结合处。但是，金属玻璃根本不存在晶粒边界，因为它的原子都是无规律地紧密排列的，因为它的内在组合没有缝隙，所以它的硬度更大。即使遭到重击，原子也很容易恢复原位，同时它还有很好的抗腐蚀能力，不变质，重量轻；由于金属玻璃没有晶粒的体积限制，所以它很容易被制成仅10纳米的微型器件。而且，金属玻璃的非晶体结构还使得它可以在低温下熔化，如同塑料般易于塑造成型。

金属玻璃还具有良好的耐腐蚀性。不锈钢的表层在温度为40℃、浓度为10％的三氯化铁溶液中非常容易受到腐蚀；而在同样情况下，含铬的金属玻璃却能“固若金汤”，腐蚀速率接近零。这还是因为金属玻璃内部原子不存在晶体的交界面，呈无序排列，也不存在晶体缺陷，从而避免了腐蚀**的“入侵”；另外，含铬氧化物在金属玻璃表面形成了一层致密而均匀的保护膜，所以金属玻璃的耐腐蚀性特别强，作为一种高耐蚀材料非常有发展前途。于是，人们就想到用一种铁硼合金的软磁材料，代替硅钢做成电源变压器，不仅性能好，而且电能损耗少，一般的金属合金都是以晶体的形式存在，具有特殊性能的这几种合金却都不是晶体而是玻璃形态物质的金属玻璃。

作为一种优异的磁性材料，金属玻璃还具有高饱和磁感应、低铁损等优点，同时还具有较高的耐磨性和耐腐蚀的特点。用金属玻璃制造各种磁头的话，可以避免磁头尖部的脱落现象，降低磁头与盘片摩擦发出的噪声。这将会给我们带来优美、清晰的音质和理想的音响效果。

*如何制得金属玻璃

既然金属玻璃有这么多的好处，那么该用什么方法制得金属玻璃呢？

科学家研究发现，金属在高温下熔融后，经过慢慢冷却就会恢复为晶态。设想一下，当将某些金属熔融后，通过一个喷嘴喷到高速旋转的光滑钢质辊面上后急剧冷却，就有可能变成金属玻璃。

但是，金属单质它们在温度稍低时便会转化成晶态，极难生成类似玻璃的结构，已制得的在室温下稳定存在的金属玻璃都是两三种或更多种元素的某些合金。因为对冷却速度存在要求，再考虑到非晶态结构的稳定性，用于制备金属玻璃的材料多是铁一钴一镍合金。金属晶体内的微粒排列得很整齐，当金属体内存在缺陷时，就容易被拉断。这就好比搭积木，抽掉中间一块，整个搭起的积木就会全部倒塌。而由于金属玻璃是急剧冷却时形成的，其内部结构来不及排列得很整齐，在整体上的排列还是混乱的，而在小的局部上又可能是有序的，就像如果高台是由不规则形状的石头砌成，挖掉一两块也不会影响整个建筑。

研究发现，金属玻璃的断裂强度是钢的4倍。目前，铁系金属玻璃的屈服强度约为4000兆帕，镍系和钴系金属玻璃的屈服强度约为3000兆帕，远高于同类的晶态合金的强度。

金属玻璃可经受180?弯曲而不断裂，兼有良好的可塑性。它的抗裂纹扩展能力强，断裂韧性值约为钢的5倍、铝合金的10倍、硅酸盐玻璃的l万倍。把它作为结构材料和复合材料的日子已经为期不远了。

大自然神奇的力量导致了形形色色规则的形成，而打破规则则是另外一种神奇的力量。从金属到玻璃的跨越告诉我们这样一个道理：万物并没有绝对的分界线，跨越分界线去看事物，能使你得到意想不到的收获。

延伸阅读——金属疲劳

看到这个题目，大家都觉得奇怪，难道金属也会疲劳吗？不错，金属也与人一样，超过一定的限度就会疲劳。

设想一下，现实生活中我们很难直着拉断一根铁丝；但是如果反复弯折，就容易折断了。这说明，像钢铁这样的金属，在反复变化的外力作用下，它的强度要比在不变外力作用下小得多。这种现象就是金属疲劳。

金属疲劳会发生很多如轮船沉没、飞机坠毁、桥梁倒塌等破坏事故。据估计，在现代机器设备中，80％～90％的零部件损坏是由金属疲劳导致的。因为在材料内部抵抗最弱的地方，金属部件所受到的外力超过一定限度，就会出现人眼觉察不到的裂纹。如果部件所受的外力不变，微小的裂纹就不会发展，材料也不易损坏。但如果部件所受的是一种方向或大小经常重复变化的外力，那么金属材料内部的微小裂纹就会时而张开，时而相压，时而互相研磨，导致裂纹不断扩大和发展。当裂纹扩大到一定程度，金属材料被削弱到不能再承受外力时，只需要一点偶然的冲击，就会发生零部件的断裂。所以，金属疲劳往往都是造成突如其来的破坏，没有明显的迹象让人察觉。

增强金属抗疲劳的有效办法是在金属材料中添加各种“维生素”。例如，金属抗疲劳的能力在加进万分之几或千万分之几的稀土元素后，就能大大提高，延长使用寿命。随着科学技术的发展，现已出现“金属免疫疗法”新技术，通过事先引入的办法来增强金属的疲劳强度，以抵抗疲劳损坏。

此外，在金属构件上，应尽量减少薄弱环节，还可以用一些辅助性工艺增加表面光洁度，以免发生锈蚀。对产生震动的机械设备要采取防震措施，以减少金属疲劳的可能性。在必要的时候，要进行对金属内部结构的检测，对防止金属疲劳也很有好处。