CN103492591A - 玻璃状纳米材料 - Google Patents

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Abstract

本发明针对能够形成失稳玻璃基体显微成分的金属合金。该合金是铁基的并且包括镍、硼、硅和任选的铬。该合金展现延展性和相对高的拉伸强度并且可为片材、带材、线材和/或纤维形式。描述了这样的合金的应用。

Description

玻璃状纳米材料
技术领域
本发明涉及可应用于多种快速凝固加工方法以在铁基玻璃形成合金中产生改进的性质如抗拉性质和延展性的加工条件和物质的化学组成。
背景技术
金属玻璃是相对独特的一类材料，其可展现既类似金属（因为它们可包含非定向的金属键、金属光泽、和/或相对显著的导电性和导热性）又类似陶瓷（因为相对高的硬度往往可与脆性和缺乏拉伸延展性结合而展现）的特性。可理解金属玻璃包括过冷液体，其在室温下以固体形式存在，但是可具有与在仅存在短程有序的液体中发现的结构类似的结构。金属玻璃通常可具有自由电子、展现金属光泽、并且展现与在常规金属中发现的金属键类似的金属键。金属玻璃可为亚稳态材料，并且当被加热时它们可转变成结晶态。该工艺被称为结晶或析晶。因为扩散在室温下受限制，所以可施加足够的热量（即玻尔兹曼能量）以克服成核势垒从而引起由玻璃析晶所引起的固-固态转变。
发明内容
一种金属合金，其包含在45.0原子%-71原子%水平的Fe、在4.0原子%-17.5原子%水平的Ni、在11.0原子%-16原子%水平的B、在0.3原子%-4.0原子%水平的Si和0.1-19.0原子%的任选存在的Cr。该合金于其中包含在5.0体积%-95.0体积%范围内存在的失稳（spinodal）玻璃基体显微成分（SGMM）组织，确定具有不同化学组成的两种相，其中SGMM结构包括一种或多种半结晶相或结晶相，其中半结晶相包含展现2.0nm或更小的最大线性尺度的簇，并且结晶相包含展现大于2.0nm的最大线性尺度的簇和玻璃基体（其中玻璃相中的结构单元具有
Figure BDA00003415880500021
的尺寸）。该合金具有0.4GPa-3.9GPa的极限拉伸强度和0.4%-5.5%的拉伸延伸率。
在方法形式中，本发明针对用于形成包含失稳玻璃基体显微成分（SGMM）的金属合金的方法，其包括：提供金属合金，该合金包含在45.0原子%-71原子%水平的Fe；在4.0原子%-17.5原子%水平的Ni；在11.0原子%-16原子%水平的B；和在0.3原子%-4.0原子%水平的Si和0.1-19.0原子%的任选存在的Cr。随后可接着熔化该合金并且冷却和形成失稳玻璃基体显微成分，其中该金属合金在冷却时分离成化学组成和物理性质不同的两种独特相，其中相形成不受成核控制并且SGMM组织包括一种或多种半结晶相或结晶相，其中半结晶相包含展现2.0nm或更小的最大线性尺度的簇，并且结晶相包含展现大于2.0nm的最大线性尺度的簇和玻璃基体（其中玻璃相中的结构单元具有的尺寸）。这样的合金可再次具有0.4GPa-3.9GPa的极限拉伸强度和0.4%-5.5%的拉伸延伸率。
附图说明
参考本文中结合附图描述的实施方案的以下描述，本公开上面提及的和其它的特征以及获得它们的方式可变得更加清楚并且被更好地理解，其中
图1所选择的每个系列波纹带材的示例性光学图片；a)A2波纹带材，b)B4波纹带材，c)C6波纹带材，和d)D8波纹带材。
图2熔融纺丝的带材横截面的SEM图像，显示了示例性的校正系数。
图3A2合金横截面的SEM背散射电子显微图片，显示没有结构特征。显微硬度压痕标记用于聚焦的表面。
图4B2合金横截面的SEM背散射电子显微图片，显示没有结构特征。显微硬度压痕标记用于聚焦的表面。
图5C2合金横截面的SEM背散射电子显微图片，显示没有结构特征。显微硬度压痕标记用于聚焦的表面。
图6A2合金横截面的SEM背散射电子显微图片，显示没有结构特征。显微硬度压痕标记用于聚焦的表面。
图7A2合金的规格表面（gage surface）的SEM显微图片，显示在拉伸测试后的多个剪切带的形成。
图8B2合金的规格表面的SEM显微图片，显示在拉伸测试后的多个剪切带的形成。
图9C2合金的规格表面的SEM显微图片，显示在拉伸测试后的多个剪切带的形成。
图10D2合金的规格表面的SEM显微图片，显示在拉伸测试后的多个剪切带的形成。
图11显示在拉伸测试后的A2合金中两种机理的SEM显微照片：ISBB实例由箭头标示并且SBAI实例由圆圈标识。
图12显示在拉伸测试后的B2合金中两种机理的SEM显微照片：ISBB实例由箭头标示并且SBAI实例由圆圈标识。
图13显示在拉伸测试后的C2合金中两种机理的SEM显微照片：ISBB实例由箭头标示并且SBAI实例由圆圈标识。
图14显示在拉伸测试后的D2合金中两种机理的SEM显微照片：ISBB实例由箭头标示并且SBAI实例由圆圈标识。
图15拉伸测试的A2合金的代表性应力-应变曲线。
图16拉伸测试的B2合金的代表性应力-应变曲线。
图17拉伸测试的C2合金的代表性应力-应变曲线。
图18拉伸测试的D2合金的代表性应力-应变曲线。
具体实施方式
如上所述，金属玻璃可展现既类似金属（因为它们可包含非定向金属键、金属光泽、和/或相对显著的导电性和导热性）又类似陶瓷（因为相对高的硬度往往可与脆性和缺乏拉伸延展性结合而展现）的特性。可理解金属玻璃包括过冷液体，其在室温下以固体形式存在但是可具有与在仅存在短程有序的液体中发现的结构类似的结构。金属玻璃通常可具有自由电子、展现金属光泽、并且展现与在常规金属中发现的金属键类似的金属键。金属玻璃可理解为亚稳态材料，并且当被加热时它们可通过结晶或析晶转变成结晶态。因为扩散在室温下可能受限制，所以可施加足够的热量（即玻尔兹曼能量）以克服成核势垒从而引起由玻璃析晶引起的固-固态转变。
金属玻璃的析晶温度可广泛改变并且可为例如300℃-800℃，具有通常为-25J/g至-250J/g的结晶焓。析晶过程可以在一个或多个阶段中发生。当在多个阶段中发生时可形成结晶相，然后取决于特定的分配系数，原子可被吸引至新微晶或排斥进入剩余体积的玻璃。这可导致更稳定的玻璃化学物，其可使引起部分或完全析晶的额外热量输入成为必要。因而，部分析晶的组织可导致玻璃基体中的结晶析出物。通常，这些析出物可处于30nm-125nm的尺寸范围。全部析晶至完全结晶态可由高于最高温度玻璃峰的热处理引起，该最高温度玻璃峰可通过热分析例如差示扫描量热法或差热分析揭示。
结构有序的相对微细的长度尺度（即分子缔合）和材料近乎无缺陷的属性（即没有1-d位错或2-d晶粒/相界缺陷）可提供相对高的强度（和相应的硬度），其可为理论值的约33%-45%。然而，由于缺少结晶度，因而可能不能发现位错，并且显著（即>1%）的拉伸延伸率的机理可能不明显。金属玻璃可展现有限的断裂韧性，这与剪切带和/或裂纹相对快速的扩展相关，这可为这些材料的技术利用的担忧。虽然这些材料在压缩测试时可显示充足的延展性，但是在拉伸测试时它们展现非常接近于零的延伸率并且以脆性方式断裂。这些类别的材料在室温下拉伸变形的固有无能力可为其中需要内在延展性来避免灾害性失效的所有潜在结构应用的限制因素。归因于应变软化和/或热软化，金属玻璃的塑性变形可相对高地局限于剪切带中，导致室温下有限的塑性应变（展现小于1%的延伸率）和灾害性失效。
失稳玻璃基体显微成分（即SGMM）可能够获得延展性（≥1%延伸率），该延展性源自通过在纳米尺度称为局部变形诱发变化（LDIC）下特定的显微组织相互作用使移动剪切带钝化（即ISBB）的能力。随后的第二水平和较高的捕获剪切带相互作用（SBAI）可允许在无约束的加载下获得相对高的剪切带密度并且可导致提高水平的总体塑性。此外，该SBAI的结果可包括应变硬化效应的发展，这意味着有效的延展性（active ductility）机理可以是可用的并且与其中缺陷和相关的应力集中位置将总是存在处的工业加工和应用相关。现在，本文中描述的化学物在相对较低的成本下可获得失稳玻璃基体显微成分的形成并且可因此提高价格/性能利益，以使包括失稳玻璃基体显微成分的材料的商业市场的扩大范围成为可能。
因此，本发明涉及玻璃形成化学物，其可导致失稳玻璃基体显微成分（SGMM）组织，该组织可展现相对显著的延展性和高拉伸强度。失稳玻璃基体显微成分可理解为通过不受成核控制的转变机理形成的显微成分。更主要地，失稳分解可理解为一种机理，通过该机理合金的两种或更多种成分的溶体（例如金属组合物）可分离成具有明显不同化学组成和物理性质的独特区域（或相）。该机理不同于典型的成核，因为相分离遍及材料均匀发生并且不仅在离散的成核位置处发生。所述相可包括一种或多种半结晶簇或结晶相，其可因此通过在局部水平上原子的连续扩散而形成，直至化学起伏导致至少一种独特的结晶相。在本文中半结晶簇可理解为展现2nm或更小的最大线性尺度，而结晶簇可展现大于2nm的最大线性尺度。注意，在失稳分解的早期阶段期间，形成的簇可为相对小的，并且虽然它们的化学组成不同于周围的玻璃基体，但是它们不是完全结晶的并且没有获得非常有序的结晶周期性。其它的结晶相可展现相同的晶体结构或独特的晶体结构。此外如所提到的，所述相可包括玻璃基体。该玻璃基体可理解为包括可展现固体相中结构单元的缔合（可随机的堆积在一起）的显微组织。玻璃相中结构单元的细化水平或尺寸可处于埃的尺度范围（即
Figure BDA00003415880500051
）。
此外，合金还可展现通过失稳玻璃基体显微成分（SGMM）可以成为可能的诱发剪切带钝化（ISBB）和剪切带捕获相互作用（SBAI）。ISBB可理解为通过与SGMM组织相互作用钝化或阻止扩展剪切带的能力。SBAI可理解为通过剪切带/剪切带相互作用来捕获剪切带并且可在初始的或起初的剪切带通过ISBB被钝化后发生。
虽然通过在结晶金属中特定的滑移系统上位错移动可使常规材料变形，但是ISBB和SBAI变形机理可涉及在失稳玻璃基体显微成分中移动剪切带（即其中发生局部变形的不连续体），通过本文中进一步描述的局部变形诱发变化（LDIC）将其钝化。伴随提高水平的应力，一旦剪切带被钝化，新的剪切带可以成核并然后与存在的剪切带相互作用，在拉伸中产生相对高的剪切带密度和相对显著水平的总体塑性的发展。因而，具有有利的SGMM组织的合金可防止或减缓拉伸中的剪切带扩展，这可导致相对显著的拉伸延展性（>1%）并且在拉伸测试期间导致应变硬化。本文中考虑的合金可包括能够形成失稳玻璃基体显微成分的化学物或由其组成，其中失稳玻璃基体显微成分可以以5.0体积%-95体积%存在，包括玻璃状相、半结晶相和/或结晶相。
可以用于形成包括失稳玻璃基体显微成分组织的组合物的玻璃形成化学物可包括某些铁基玻璃形成合金，随后将其加工以提供本文中提到的SGMM组织。铁基合金可包括在大于或等于45原子%水平下存在的铁。此外，该合金可包括元素镍、硼、硅和任选的铬。在一些实施方案中，该合金可基本由铁、镍、硼、硅和任选的铬组成，或可仅限于铁、镍、硼、硅和任选的铬。在又一些实施方案中，该合金不包括钴，否则其会提高合金组合物的相对成本。
在一些实施方案中，该合金可包括在45原子%-71原子%范围内存在的铁、在4原子%-17.5原子%范围内存在的镍、在11原子%-16原子%范围内存在的硼、在0.3原子%-4.0原子%范围内存在的硅和在0.1原子%-19原子%范围内存在的任选的Cr。该合金的组成可在上述范围内的所有值和增量下改变。
因此，铁可选自以下值：45.0原子%（at.%）、45.1at.%、45.2at.%、45.3at.%、45.4at.%、45.6at.%、45.7at.%、45.8at.%、45.9at.%、46.0at.%、46.1at.%、46.2at.%、46.3at.%、46.4at.%、46.5at.%、46.7at.%、46.8at.%、46.9at.%、47.0at.%、47.1at.%、47.2at.%、47.3at.%,47.4at.%、47.5at.%、47.6at.%、47.7at.%、47.8at.%、47.9at.%、48at.%、48.1at.%、48.2at.%、48.3at.%、48.4at.%、48.5at.%、48.6at.%、48.7at.%、48.8at.%、48.9at.%、49at.%、49.1at.%、49.2at.%、49.3at.%、49.4at.%、49.5at.%、49.6at.%、49.7at.%、49.8at.%、49.9at.%、50at.%、50.1at.%、50.2at.%、50.3at.%、50.4at.%、50.5at.%、50.6at.%、50.7at.%、50.8at.%、50.9at.%、51at.%、51.1at.%、51.2at.%、51.3at.%、51.4at.%、51.5at.%、51.6at.%、51.7at.%、51.8at.%、51.9at.%、52at.%、52.1at.%、52.2at.%、52.3at.%、52.4at.%、52.5at.%、52.6at.%、52.7at.%、52.8at.%、52.9at.%、53at.%、53.1at.%、53.2at.%、53.3at.%、53.4at.%、53.5at.%、53.6at.%、53.7at.%、53.8at.%、53.9at.%、54at.%、54.1at.%、54.2at.%、54.3at.%、54.4at.%、54.5at.%、54.6at.%、54.7at.%、54.8at.%、54.9at.%、55at.%、55.1at.%、55.2at.%、55.3at.%、55.4at.%、55.5at.%、55.6at.%、55.7at.%、55.8at.%、55.9at.%、56at.%、56.1at.%、56.2at.%、56.3at.%、56.4at.%、56.5at.%、56.6at.%、56.7at.%、56.8at.%、56.9at.%、57at.%、57.1at.%、57.2at.%、57.3at.%、57.4at.%、57.5at.%、57.6at.%、57.7at.%、57.8at.%、57.9at.%、58at.%、58.1at.%、58.2at.%、58.3at.%、58.4at.%、58.5at.%、58.6at.%、58.7at.%、58.8at.%、58.9at.%、59at.%、59.1at.%、59.2at.%、59.3at.%、59.4at.%、59.5at.%、59.6at.%、59.7at.%、59.8at.%、59.9at.%、60at.%、60.1at.%、60.2at.%、60.3at.%、60.4at.%、60.5at.%、60.6at.%、60.7at.%、60.8at.%、60.9at.%、61at.%、61.1at.%、61.2at.%、61.3at.%、61.4at.%、61.5at.%、61.6at.%、61.7at.%、61.8at.%、61.9at.%、62at.%、62.1at.%、62.2at.%、62.3at.%、62.4at.%、62.5at.%、62.6at.%、62.7at.%、62.8at.%、62.9at.%、63at.%、63.1at.%、63.2at.%、63.3at.%、63.4at.%、63.5at.%、63.6at.%、63.7at.%、63.8at.%、63.9at.%、64at.%、64.1at.%、64.2at.%、64.3at.%、64.4at.%、64.5at.%、64.6at.%、64.7at.%、64.8at.%、64.9at.%、65at.%、65.1at.%、65.2at.%、65.3at.%、65.4at.%、65.5at.%、65.6at.%、65.7at.%、65.8at.%、65.9at.%、66at.%、66.1at.%、66.2at.%、66.3at.%、66.4at.%、66.5at.%、66.6at.%、66.7at.%、66.8at.%、66.9at.%、67at.%、67.1at.%、67.2at.%、67.3at.%、67.4at.%、67.5at.%、67.6at.%、67.7at.%、67.8at.%、67.9at.%、68at.%、68.1at.%、68.2at.%、68.3at.%、68.4at.%、68.5at.%、68.6at.%、68.7at.%、68.8at.%、68.9at.%、69at.%、69.1at.%、69.2at.%、69.3at.%、69.4at.%、69.5at.%、69.6at.%、69.7at.%、69.8at.%、69.9at.%、70at.%、70.1at.%、70.2at.%、70.3at.%、70.4at.%、70.5at.%、70.6at.%、70.7at.%、70.8at.%、70.9at.%、和/或71at.%。
镍可选自以下值：4.0at.%、4.1at.%、4.2at.%、4.3at.%、4.4at.%、4.5at.%、4.6at.%、4.7at.、4.8at.%、4.9at.%、5at.%、5.1at.%、5.2at.%、5.3at.%、5.4at.%、5.5at.%、5.6at.%、5.7at.%、5.8at.%、5.9at.%、6at.%、6.1at.%、6.2at.%、6.3at.%、6.4at.%、6.5at.%、6.6at.%、6.7at.%、6.8at.%、6.9at.%、7at.%、7.1at.%、7.2at.%、7.3at.%、7.4at.%、7.5at.%、7.6at.%、7.7at.%、7.8at.%、7.9at.%、8at.%、8.1at.%、8.2at.%、8.3at.%、8.4at.%、8.5at.%、8.6at.%、8.7at.%、8.8at.%、8.9at.%、9at.%、9.1at.%、9.2at.%、9.3at.%、9.4at.%、9.5at.%、9.6at.%、9.7at.%、9.8at.%、9.9at.%、10at.%、10.1at.%、10.2at.%、10.3at.%、10.4at.%、10.5at.%、10.6at.%、10.7at.%、10.8at.%、10.9at.%、11at.%、11.1at.%、11.2at.%、11.3at.%、11.4at.%、11.5at.%、11.6at.%、11.7at.%、11.8at.%、11.9at.%、12at.%、12.1at.%、12.2at.%、12.3at.%、12.4at.%、12.5at.%、12.6at.%、12.7at.%、12.8at.%、12.9at.%、13at.%、13.1at.%、13.2at.%、13.3at.%、13.4at.%、13.5at.%、13.6at.%、13.7at.%、13.8at.%、13.9at.%、14at.%、14.1at.%、14.2at.%、14.3at.%、14.4at.%、14.5at.%、14.6at.%、14.7at.%、14.8at.%、14.9at.%、15at.%、15.1at.%、15.2at.%、15.3at.%、15.4at.%、15.5at.%、15.6at.%、15.7at.%、15.8at.%、15.9at.%、16.0at.%、16.1at.%、16.2at.%、16.3at.%、16.4at.%、16.5at.%、16.6at.%、16.7at.%、16.8at.%、16.9at.%、17.0at.%、17.1at.%、17.2at.%、17.3at.%、17.4at.%、17.5at.%。
硼可选自以下值：11.0at.%、11.1at.%、11.2at.%、11.3at.%、11.4at.%、11.5at.%、11.6at.%、11.7at.%、11.8at.%、11.9at.%、12at.%、12.1at.%、12.2at.%、12.3at.%、12.4at.%、12.5at.%、12.6at.%、12.7at.%、12.8at.%、12.9at.%、13at.%、13.1at.%、13.2at.%、13.3at.%、13.4at.%、13.5at.%、13.6at.%、13.7at.%、13.8at.%、13.9at.%、14at.%、14.1at.%、14.2at.%、14.3at.%、14.4at.%、14.5at.%、14.6at.%、14.7at.%、14.8at.%、14.9at.%、15at.%、15.1at.%、15.2at.%、15.3at.%、15.4at.%、15.5at.%、15.6at.%、15.7at.%、15.8at.%、15.9at.%、16at.%。
硅可选自以下值：0.3at.%、0.4at.%、0.5at.%、0.6at.%、0.7at.%、0.8at.%、0.9at.%、1.0at.%、1.1at.%、1.2at.%、1.3at.%、1.4at.%、1.5at.%、1.6at.%、1.7at.%、1.8at.%、1.9at.%、2.0at.%、2.1at.%、2.2at.%、2.3at.%、2.4at.%、2.5at.%、2.6at.%、2.7at.%、2.8at.%、2.9at.%3.0at.%、3.1at.%、3.2at.%、3.3at.%、3.4at.%、3.5at.%、3.6at.%、3.7at.%、3.8at.%、3.9at.%4.0at.%。
铬可选自以下值：0at.%、0.1at.%、0.2at.%、0.3at.%、0.4at.%、0.5at.%、0.6at.%、0.7at.%、0.8at.%、0.9at.%、1at.%、1.1at.%、1.2at.%、1.3at.%、1.4at.%、1.5at.%、1.6at.%、1.7at.%、1.8at.%、1.9at.%、2at.%、2.1at.%、2.2at.%、2.3at.%、2.4at.%、2.5at.%、2.6at.%、2.7at.%、2.8at.%、2.9at.%、3at.%、3.1at.%、3.2at.%、3.3at.%、3.4at.%、3.5at.%、3.6at.%、3.7at.%、3.8at.%、3.9at.%、4at.%、4.1at.%、4.2at.%、4.3at.%、4.4at.%、4.5at.%、4.6at.%、4.7at.%、4.8at.%、4.9at.%、5at.%、5.1at.%、5.2at.%、5.3at.%、5.4at.%、5.5at.%、5.6at.%、5.7at.%、5.8at.%、5.9at.%、6at.%、6.1at.%、6.2at.%、6.3at.%、6.4at.%、6.5at.%、6.6at.%、6.7at.%、6.8at.%、6.9at.%、7at.%、7.1at.%、7.2at.%、7.3at.%、7.4at.%、7.5at.%、7.6at.%、7.7at.%、7.8at.%、7.9at.%、8at.%、8.1at.%、8.2at.%、8.3at.%、8.4at.%、8.5at.%、8.6at.%、8.7at.%、8.8at.%、8.9at.%、9at.%、9.1at.%、9.2at.%、9.3at.%、9.4at.%、9.5at.%、9.6at.%、9.7at.%、9.8at.%、9.9at.%、10at.%、10.1at.%、10.2at.%、10.3at.%、10.4at.%、10.5at.%、10.6at.%、10.7at.%、10.8at.%、10.9at.%、11at.%、11.1at.%、11.2at.%、11.3at.%、11.4at.%、11.5at.%、11.6at.%、11.7at.%、11.8at.%、11.9at.%、12at.%、12.1at.%、12.2at.%、12.3at.%、12.4at.%、12.5at.%、12.6at.%、12.7at.%、12.8at.%、12.9at.%、13at.%、13.1at.%、13.2at.%、13.3at.%、13.4at.%、13.5at.%、13.6at.%、13.7at.%、13.8at.%、13.9at.%、14at.%、14.1at.%、14.2at.%、14.3at.%、14.4at.%、14.5at.%、14.6at.%、14.7at.%、14.8at.%、14.9at.%、15at.%、15.1at.%、15.2at.%、15.3at.%、15.4at.%、15.5at.%、15.6at.%、15.7at.%、15.8at.%、15.9at.%、16at.%、16.1at.%、16.2at.%、16.3at.%、16.4at.%、16.5at.%、16.6at.%、16.7at.%、16.8at.%、16.9at.%、17at.%、17.1at.%、17.2at.%、17.3at.%、17.4at.%、17.5at.%、17.6at.%、17.7at.%、17.8at.%、17.9at.%、18at.%、18.1at.%、18.2at.%、18.3at.%、18.4at.%、18.5at.%、18.6at.%、18.7at.%、18.8at.%、18.9at.%、和/或19at.%。
此外，由于例如原料的纯度和加工期间杂质的引入，合金可包括至多10原子%的杂质。因此，上述的铁基合金组合物可以以给定组成的90-100原子%存在，包括其中所有的值和增量，例如90-99原子%等。
虽然并不旨在为限制性的，但是变形机理的分析似乎显示ISBB和SBAI的操作机理是比系统尺寸小的数量级。可操作的系统尺寸可理解为包含SGMM组织的材料体积，其可再次为5体积%-95体积%。此外，对于在冷表面（chill surface）例如轮或辊（其可为如工程将允许的那么宽）上的液体溶体冷却，二维冷却可为失稳玻璃基体显微成分形成中的主要因素，因而厚度可为组织形成和所得的可操作的系统尺寸的限制因素。在高于与机理尺寸相比合理的系统尺寸的厚度下，延展性机理可不受影响。例如，剪切带宽度可为相对小的（10-100nm）并且甚至与所述组织LDIC相互作用，相互作用尺寸可为20-200nm。因而，例如在100微米厚度下获得相对显著的延展性（≥1%）意味着系统厚度已经是延展性机理尺寸的500-10,000倍。
考虑到可操作的系统尺寸（当超过该尺寸时会允许ISBB和SBAI相互作用）可处于厚度为～10nm至1微米或体积为1000nm3-1μm3的范围。可能不期望获得大于～1微米的厚度或大于1μm3的可操作的体积显著影响可操作的机理或显著水平的塑性的获得，因为可操作的延展性机理尺寸低于该限值。因而，只要形成SGMM组织，就考虑较大厚度或较大体积的样品或产物以与如确定的方式类似的方式获得具有ISBB和SBAI机理的可操作的延展性。
可以使用可产生足以提供SGMM组织的冷却速率的技术进行加工。这样的冷却速率可为103-106K/s。本文中可配置成提供SGMM组织的加工技术的实例包括但不限于熔融纺丝/喷射铸造、超急冷（hyperquenching）、Taylor-Ulitovsky线铸造、平面流动铸造和双辊铸造。在下文中包括以一种方式进行操作以提供本申请中所呈现的组织和所得的性质的这些制造技术的其它细节。
熔融纺丝可理解为包括使用气体压力将液体溶体喷射到快速移动的金属轮上，该金属轮可由铜制得。可制备连续或间断长度的带材。在一些实施方案中，带材可为1mm-2mm宽和0.015-0.15mm厚，包括其中所有的值和增量。所述宽度和厚度可取决于熔融纺丝的材料粘度和表面张力以及轮切向速度。熔融纺丝工艺中典型的冷却速率可为～104至～106K/s，包括其中所有的值和增量。使用实验室规模的系统通常可以以至多25m长的连续方式制备带材。
可使用喷射铸造器在工业规模上熔融纺丝该合金。在熔融纺丝的一种实施方案中的工艺参数可包括在腔室内提供液体熔体，该腔室处于包括空气或惰性气体例如氦、二氧化碳、二氧化碳和一氧化碳混合物、或二氧化碳和氩混合物的环境中。腔室压力可为0.25atm-1atm，包括其中所有的值和增量。此外，铸造轮切向速度可为15米/秒（m/s）-30m/s，包括其中所有的值和增量。所得的喷射压力可为100-300毫巴并且所得的喷射温度可为1000℃-1300℃，包括其中所有的值和增量。
超急冷可理解为可以基于相对连续的快速凝固熔融金属并且用于纤维制备的相对大规模的工业工艺。在该工艺中，可持续地将熔融金属倾倒入具有特别设计的沟槽图案的旋转冷辊的移动表面上。纤维可在冷辊上以一定长度凝固：宽度可从0.015mm变化至100mm，包括其中所有的值和增量，厚度可从0.015变化至0.15mm，包括其中所有的值和增量。熔融纺丝工艺中典型的冷却速率可为～104至～106K/s，包括其中所有的值和增量。
用于制备具有圆形横截面的相对小直径线材的工艺实例是Taylor-Ulitovsky工艺。可将粉末、锭子、带材或线材形式的金属原料保持在玻璃管中，该玻璃管通常为硼硅酸盐组合物，其在一端处封闭。随后可将该管的这一端加热，以便将玻璃软化至金属部分处于液体状态而玻璃可被软化而未熔化的温度。然后可拉拔包含液体熔体的玻璃以产生包含金属芯的细玻璃毛细管。在合适的拉拔条件下，熔融的金属填充玻璃毛细管，并且在金属芯完全被玻璃壳体覆盖处可产生微线材。通过使用具有新合金材料的粉末或线材/带材连续地供给金属滴，该工艺可为连续的。该方法通常理解为相对低成本的方法。可由玻璃管通过感应器区域的连续供给来平衡该工艺中使用的玻璃量，而可通过母合金小滴的初始数量限制金属芯的形成。微线材的显微组织（并且因此其性质）可主要取决于冷却速率，当填充金属的毛细管在其去往接受卷绕的路上进入冷却液体（水或油）流中时，可通过冷却装置控制该冷却速率。通过该方法可以制备可具有玻璃涂覆的1μm-120μm的金属芯，该涂层的厚度可为2μm-20μm（包括其中所有的值和增量）。在该工艺中冷却速率可从103变化至106K/s，包括其中所有的值和增量。
平面流动铸造可理解为用于制备连续片材形式的宽带材的相对低成本和相对高体积的技术。该工艺可包括使液体熔体在冷表面上方以紧密的距离流动。可以以0.016-0.075mm（包括10mm-215mm范围内的所有值和增量）厚度在工业规模上制备宽度至多18.4"(215mm)（包括其中所有的值和增量）的薄箔材/片材。可提供～104至～106K/s的冷却速率，包括其中所有的值和增量。在片材制备后，可将单独的片材（5-50）温压以将压块（compact）辊轧成片材。
双辊铸造可理解为包括在相反的方向上旋转的两个辊之间急冷液体熔体。凝固可在每个辊的上部与液体熔体之间的第一接触处开始。两个单独的壳体可在每个冷表面上开始形成并且随着该工艺继续，随后可通过冷辊将两个单独的壳体以一定辊距带到一起以形成一个连续的片材。在该方法中，在任何的后加工步骤例如热轧前，凝固可快速发生并且可获得比常规熔体工艺薄得多并且通常处于1.5mm-3.0mm范围内的直接熔体厚度。该工艺可在很多方面类似于平面流动铸造，而主要区别在于两个冷辊可用于在双辊铸造中制备片材，而不是在平面流动铸造中的单个冷辊。然而，在本文中可制备的具有所示的SGMM组织的片材背景中，厚度可为0.5mm-5.0mm。
因此，如从上面可理解的，铁基合金可形成纤维、线材、带材、片材和/或箔材。在线材或纤维形式中，该合金可具有1μm-120μm的直径，包括其中所有的值和范围。在带材、片材或箔材形式中，该合金可具有0.015mm-215mm的直径，包括其中所有的值和范围。
凝固的铁基合金可具有7.40g/cm3-7.80g/cm3的密度，包括其中所有的值和增量。此外，当通过在10℃/分钟的加热速率下的差热分析（DTA）或差示扫描量热法（DSC）测量时，铁基合金可展现约396℃-713℃的玻璃至结晶的转变温度，包括其中所有的值和范围。当通过在10℃/分钟的加热速率下的差热分析（DTA）或差示扫描量热法（DSC）测量时，转变焓可为-16J/克至-167J/克，包括其中所有的值和增量。
铁基合金可展现180度弯曲，其中具有0.020mm-0.060mm厚度的带材可弯曲成完全平面。当在0.001s-1的应变速率下测试时，铁基合金还可展现0.4GPa-3.90GPa的极限拉伸强度，包括其中所有的值和范围，例如1.00GPa-3.26GPa。此外，当在0.001s-1的应变速率下测试时，铁基合金可展现0.4%-5.5%的总延伸率，包括其中所有的值和范围，例如1.0%-5.5%。当使用50g载荷用金刚石锥形压头测试时，该合金可展现900-950的维氏硬度，包括其中所有的值和范围。该合金还可展现至少90×l03/米-300×l03/米的剪切带密度，包括其中所有的值和范围。延展性的存在和相对高的剪切带密度表明SGMM组织已在合金中形成。
实施例
以下实施例是出于说明的目的，并不旨在限制这里所附的公开或权利要求。
实施例1
在表1中显示了合金研究的化学组成，其提供了所使用的特定原子比。通过用工业纯度和高纯度两种原料熔融纺丝，将这些化学物用于材料加工。使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g目标合金的合金原料。随后，将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转（flip）几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在由表3中PP1至PP6工艺条件确定的不同气氛和工艺条件中将锭子熔化，然后喷射到245mm直径铜轮上，该铜轮在不同的切向速度下运行。制备的所得带材具有通常为～1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。对于工业加工研究，使用各种含铁添加剂（ferroadditive）和努力使合金成本最小化而选择的其它已经可商购的组分，以工业纯度（至多10at%杂质）制备表1中列出的合金。
表1合金的化学组成
Figure BDA00003415880500161
使用阿基米德方法在允许于空气和蒸馏水中称量的特别构造的天平中测量锭子形式的合金的密度。在表2中列出每种合金的电弧熔炼的15克锭子的密度并且发现其从7.52g/cm3变化至7.80g/cm3。实验结果揭示该技术的准确性为+-0.01g/cm3。在表2中呈现了密度测量的总结。
表2密度结果的总结（g/cm3）
Figure BDA00003415880500162
在表3中显示了用于加工样品的工艺参数。如所示的，使用了两种不同的轮切向速度25m/s和16m/s。轮切向速度的改变可为控制带材厚度的相对重要的因素，其可影响材料的冷却速率。改变加工气氛以包括在氦、空气和二氧化碳中的加工。在1/3atm腔室压力下加工所有样品。关于装料纯度，使用了高纯度（HP）和工业纯度（CP）装料两种。注意，高纯度装料通过从元素直接合金化制备，而工业纯度装料利用含铁添加剂粉末和在焊接级别材料中通常使用的化学水平下的其它组分来制备。
表3主要加工改变的总结
Figure BDA00003415880500171
为了说明化学变化对组织、性质和工艺窗口的影响，根据如表3中指定的PP4加工参数来加工表1中的所有合金。由制备的带材进行各种实验测量，包括热分析、波纹弯曲测试和拉伸测试。在以下部分中描述通过PP4加工条件加工的表1合金的结果。
使用具有DSC-7选项的系统在凝固态的带材上进行热分析。通过流动的超高纯度氩使用使样品免于氧化，在10℃/分钟的加热速率下进行差热分析（DTA）和差示扫描量热法（DSC）。在表4中，对于使用PP4熔融纺丝工艺参数熔融纺丝的合金显示了与玻璃至结晶转变相关的DSC数据。发现所有的样品均包含相对显著分数的玻璃（即≥10%）。如所见的，玻璃至结晶转变可出现在400℃-713℃温度范围内的一个或两个阶段中并且具有22J/g至165J/g的转变焓。
表4使用PP4参数加工的合金的DTA数据
Figure BDA00003415880500181
带材完全弯曲成平面的能力可说明延展性条件，由此可获得相对高的应变，但不通过传统弯曲测试测量。当带材围绕它们自身或在自身背后完全折叠时，它们可经历相对高的应变，其可高达如由复杂力学衍生出的119.8%。在实践中，在带材的拉伸侧中应变可为57%-97%的应变。在180°弯曲（平面）期间，观察到四类行为：第1类行为-不可弯曲而不断裂，第2类行为-在轮侧向外的一侧上可弯曲；第3类-在自由侧向外的一侧上可弯曲；和第4类行为-在两侧上均可弯曲。“轮侧”可理解为在熔融纺丝期间接触轮的带材侧面。
为了测量弯曲延展性，使用设计成模仿用于制备蜂窝的起皱工艺中的第一步骤的自制起皱系统，使由表1中的每种合金制备并且在PP4条件下（表3）加工的带材起皱。当带材通过起皱辊时，将带材在相反的接近180°方向弯曲，如果是延展性的则永久塑性变形，如果是脆性的则断裂成小块。图1a至图1d包括合金A2的起皱带材（图1a）、合金B4的起皱带材（图1b）、合金C6的起皱带材（图1c）和合金D8的起皱带材（图1d）的起皱带材光学图片。对于每种样品，选择一米长度的均匀带材并且随后使该带材起皱，并且在表5中列出断裂的总数。注意，仅在经历第4类弯曲行为的带材上进行起皱，这意味着带材从两侧（即轮侧和自由侧）在180°下为可弯曲的。注意，如果通过手动弯曲不经历第4类弯曲行为，则不尝试起皱，因为相对大量的断裂会发生，在1米长度内通常超过100。
表5PP4加工的合金的起皱测试结果（每1米的断裂数目）
Figure BDA00003415880500201
使用微尺度拉伸测试在室温下获得金属带材的机械性质。在由Fullam制备的工业拉伸平台中进行测试，该工业拉伸平台由MTESTWindows软件项目监视和控制。通过步进电机经夹持系统施加变形，同时通过与一个夹爪端部连接的测力传感器测量载荷。使用线性可变差动变压器（LVDT）获得位移，该线性可变差动变压器与两个夹爪连接以测量规格长度的变化。在测试前，在规格长度中不同位置处仔细测量带材的厚度和宽度至少三次。随后将平均值记录为规格厚度和宽度，并且用作随后的应力和应变计算的输入参数。虽然原始的机械测试数据假定矩形横截面，但是事实上如图2的带材横截面中可见的带材横截面在顶部是弯曲的，并且所测量的矩形横截面过高估计了真实的横截面。施加了几何形状效应的校正因素，在测量的强度特性（屈服应力和极限强度）中估计该校正因素为5%增长。在采用～0.001s-1的应变速率的位移控制下进行所有测试。在表6中，对于表1的每种合金显示了包括规格尺寸、延伸率、断裂载荷、屈服应力、极限强度和杨氏模量的拉伸测试结果的总结。注意，测量每种不同的样品一式三次以解释该测试方法和样品品质（包括样品中宏观缺陷的存在）的变化性，如可见的，拉伸强度值非常高并且从1.08变化至3.26GPa，总延伸率值从1.28%变化至4.94%。注意，对于仪器柔度调整了表6中显示的结果。
表6PP4加工的材料的抗拉性质
Figure BDA00003415880500221
Figure BDA00003415880500231
Figure BDA00003415880500251
Figure BDA00003415880500261
Figure BDA00003415880500271
Figure BDA00003415880500281
实施例2
为了说明加工参数对组织和性质的影响，在表3中指定的各种条件下加工表1中的A系列合金。由制备的带材进行各种实验测量，包括热分析、波纹弯曲测试和拉伸测试。在以下部分中描述在不同加工条件下加工的表1中的A系列合金的结果。
使用NETZSCH DSC404F3Pegasus差示扫描量热仪（DSC）在凝固态的带材上进行热分析。通过流动的超高纯度氩的使用使样品免于氧化，在10℃/分钟的加热速率下的恒定加热速率进行扫描。在表7-12中，对于在表3中指定的工艺条件下熔融纺丝的A系列合金显示了与玻璃至结晶转变相关的DSC数据。如一个或多个特征放热峰所证实的，发现大部分样品包含相对显著分数的玻璃，在PP6条件下加工的一些合金除外。玻璃至结晶转变在389℃-642℃温度范围内的一个或两个阶段中发生（对于一些合金具有重叠峰）并且具有-16J/g至-167J/g的转变焓。
表7在PP1参数下加工的合金的DSC数据
at%，*重叠峰
表8在PP2参数下加工的合金的DSC数据
Figure BDA00003415880500292
表9在PP3参数下加工的合金的DSC数据
Figure BDA00003415880500301
Figure BDA00003415880500302
表10在PP4参数下加工的合金的DSC数据
Figure BDA00003415880500303
表11在PP5参数下加工的合金的DSC数据
Figure BDA00003415880500311
at%，*重叠峰
表12在PP6参数下加工的合金的DSC数据
Figure BDA00003415880500313
为了测量弯曲延展性，使用自制起皱系统使表13中加工的每种带材的样品起皱。对于每种样品，选择一米长度的均匀带材并且随后使其起皱，并且列出断裂的总数目。注意，仅在经历第4类弯曲行为的带材上进行起皱。注意，如果通过手动弯曲不经历第4类弯曲行为（在两侧均可弯曲），则不尝试起皱，因为很大数目的断裂会发生，在1米长度内通常会超过100。
表13起皱结果的总结-每1米的断裂数目
Figure BDA00003415880500321
使用微尺度拉伸测试在室温下获得金属带材的机械性质。在由Fullam Inc.制备的工业拉伸平台中进行测试，该工业拉伸平台由MTEST Windows软件项目监视和控制。通过步进电机经夹持系统施加变形，同时通过与一个夹爪端部连接的测力传感器测量载荷。使用线性可变差动变压器（LVDT）获得位移，该线性可变差动变压器与两个夹爪连接以测量规格长度的变化。在测试前，在规格长度中不同位置处仔细测量带材的厚度和宽度至少三次。随后将平均值记录为规格厚度和宽度，并且用作随后的应力和应变计算的输入参数。虽然原始机械测试数据假定矩形横截面，但事实上如图2所示的带材横截面在顶部是弯曲的，并且所测量的矩形横截面过高估计了真实的横截面。施加了对于几何形状效应的校正因素，在测量的强度特性（屈服应力和极限强度）中估计该校正因素为5%增长。在采用～0.001s-1的应变速率的位移控制下进行所有测试。在表14-18中，对于表3中指定的工艺条件下熔融纺丝的A系列合金显示了包括规格尺寸、延伸率、断裂载荷、屈服应力、极限强度和杨氏模量的拉伸测试结果的总结。在PP6熔融纺丝条件下加工的所有A系列合金均为脆性的并且没有进行拉伸测试。注意，以一式三次（in triplicate）测量每种独特样品以解释该测试方法和样品品质（包括样品中宏观缺陷的存在）的变化性。如可见的，拉伸强度值相对高并且从1.00GPa变化至2.86GPa，总延伸率值从1.0%变化至5.5%。注意，对于机器柔度调整了表6中显示的结果。
表14在PP1参数下加工的合金的抗拉性质
Figure BDA00003415880500341
表15在PP2参数下加工的合金的抗拉性质
Figure BDA00003415880500351
Figure BDA00003415880500361
表16在PP3参数下加工的合金的抗拉性质
Figure BDA00003415880500362
Figure BDA00003415880500371
表17在PP4参数下加工的合金的抗拉性质
Figure BDA00003415880500372
Figure BDA00003415880500381
表18在PP5参数下加工的合金的抗拉性质
实施例3
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2合金的高纯度（HP）原料。使用含铁添加剂和其它已经可商购的组分，根据表1中提供的原子比称取15g A2合金的工业纯度（CP）原料（至多10at%杂质）。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在不同的气氛中将锭子熔化然后喷射到245mm直径铜轮上，该铜轮在不同的切向速度下运行。制备的所得带材具有通常为1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。
在表19中显示了用于加工A2合金的样品的工艺参数。如所示的，使用16m/s-25m/s范围内的不同轮切向速度。轮切向速度的改变给出工艺窗口的指示，因为轮切向速度将是控制带材厚度的主要因素，其影响材料的冷却速率。改变加工气氛包括在氦、空气和二氧化碳中加工。在1/3atm腔室压力下加工所有样品，但不同的是，在完全气氛下加工样品时的PP9条件（表19）。
表19主要加工改变的总结
在表20中，对于在表19中列出的不同工艺参数下熔融纺丝的A2合金显示了与玻璃至结晶转变相关的DSC数据。发现所有样品均包含相对显著分数（即≥10%）的玻璃。玻璃至结晶转变在400℃-475℃温度范围内的两个阶段中发生（对于一些合金具有重叠峰）并且具有30J/g至84J/g的转变焓。
表20具有改变的加工参数设置的F2GS9A2合金DTA数据
Figure BDA00003415880500411
通过弯曲和在拉伸中测试熔融纺丝的带材。使在表19中列出的不同工艺条件下熔融纺丝的一米（1m）的每种带材通过起皱系统。记录断裂数目并且显示在表21中。
表21起皱结果的总结
加工 每1米的断裂数目
PP1 0
PP2 0
PP3 ＞100
PP4 0
PP5 0
PP6 ＞100
PP7 68
PP8 ＞100
PP9 75
在表22中，对于在不同参数下加工的A2合金显示了包括规格尺寸、延伸率、断裂载荷、屈服应力、极限强度和杨氏模量的拉伸测试结果的总结。如可见的，拉伸强度值从0.41GPa变化至2.76GPa，总延伸率值从0.47%变化至4.49%。
表22在不同参数下加工的A2合金的抗拉性质
实施例4
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2、B2、C2和D2合金的高纯度（HP）原料。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在不同的气氛中将锭子熔化然后喷射到245mm直径铜轮上。对于所有四种合金使用了表3中指定的对应于PP4加工的工艺参数。制备的所得带材具有通常为1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。对于每种合金，在表23中呈现了维氏硬度测量以及极限拉伸强度的结果。根据ASTM STANDARD E384-10E2使用金刚石锥形压头并且在50g的载荷下进行维氏硬度测量。维氏硬度值基于对每一合金的10次测量的平均。基于熟知的比例：强度≌1/3硬度来计算维氏等效强度并且其显示材料强度的潜在水平。如所示的，可认为在该应用中显示的抗拉性质为保守的，因为实际的强度值可高出0.3-0.6GPa，这是由拉伸测试问题（包括非均匀的横截面几何形状和在横截面厚度测量中的误差）所致。
表23合金的显微硬度和极限强度
Figure BDA00003415880500431
实施例5
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2、B2、C2和D2合金的高纯度（HP）原料。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在不同的气氛中将锭子熔化然后喷射到245mm直径铜轮上。对于所有四种合金使用了表3中指定的对应于PP4加工的工艺参数。制备的所得带材具有通常为～1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。
为了检查带材组织，在来自每种合金带材样品上进行扫描电子显微镜法（SEM）。在使用金相粘结剂夹子安装有几个带材的标准金相安装台中安装熔融纺丝的带材。将包含带材的粘结剂夹子置于模型中并且将环氧树脂倾倒入其中并且使其硬化。遵从标准金相学实践使用合适的介质研磨和抛光所得的金相安装台。使用由Carl Zeiss SMTInc制造的EVO-60扫描电子显微镜观察样品组织。典型的操作条件是17.5kV的电子束能、2.4A的灯丝电流和800的点尺寸设置。使用Genesis软件用Apollo硅漂移探测器（SDD-10）进行能量分散光谱，两者都来自EDAX。设置放大器时间为6.4毫秒，使得探测器停机时间为约12-15%。在图3-6中，对于A2、B2、C2和D2合金分别显示了横截面的SEM背散射电子显微图片。注意，在SEM的分辨率极限级别上没有发现结晶或其它结构特征。因而，因为DTA扫描表明该材料具有玻璃基体，所以似乎可能获得SGMM组织，因为该组织极其细并且不能被SEM分辨（即透射电子显微镜法是必要的）。
实施例6
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2、B2、C2和D2合金的高纯度（HP）原料。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应使用表3中提供的PP4加工参数将锭子熔化并加工且然后喷射到245mm直径铜轮上。对于所有四种合金使用了表3中指定的对应于PP4加工的工艺参数。制备的所得带材具有通常为～1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。使用微尺度拉伸测试在室温下拉伸测试所制备的带材。在由Fullam Inc.制备的工业拉伸平台中进行测试。在采用～0.001s-1的应变速率的位移控制下进行所有测试。使用由Carl Zeiss SMT Inc制造的EVO-60扫描电子显微镜（SEM）检查来自每种合金的样品的规格表面。在图7-10中，对于A2、B2、C2和D2合金分别显示了在拉伸测试后规格表面的SEM显微图片。如所示的，在所有的四种合金中均观察到多个剪切带形成。
为了评估剪切带密度，使用具有×1000和×2500放大倍数的SEM图像。对于每个图像，画出十条垂直于剪切带方向的线条，对线条与剪切带之间的交点进行计数并且由交点总数除以画线总长度来计算平均密度。这些值表示每种合金中每1米的剪切带数目。更高分辨率可提供可见的剪切带更准确的数目。因此，可预期在拉伸测试期间实际产生了甚至更高的剪切带密度，因为一些较细的剪切带很快被钝化或捕获并且不容易分辨。
表24剪切带密度
Figure BDA00003415880500451
实施例7
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2、B2、C2和D2合金的高纯度（HP）原料。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在不同的气氛中将锭子熔化，然后喷射到245mm直径铜轮上。对于所有四种合金使用了表3中指定的对应于PP4加工的工艺参数。制备的所得带材具有通常为1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。使用微尺度拉伸测试在室温下将所制备的带材进行拉伸测试。在由Fullam Inc制备的工业拉伸平台中进行测试。在采用～0.001s-1的应变速率的位移控制下进行所有测试。使用由CarlZeiss SMT Inc制造的EVO-60扫描电子显微镜（SEM）观察来自每种合金的样品的规格表面。在图11-14中，对于A2、B2、C2和D2合金分别显示了在拉伸测试后规格表面的SEM显微图片。对于每种合金，诱发剪切带钝化（ISBB）的例子由箭头标示并且剪切带捕获相互作用（SBAI）的例子由圆圈标示。ISBB由远离其它剪切带的单个剪切带的钝化所表征。SBAI事件由在随后的捕获中两个或更多个剪切带的相互作用所表征。
实施例8
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2、B2、C2和D2合金的高纯度（HP）原料。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在不同的气氛中将锭子熔化，然后喷射到245mm直径铜轮上。对于所有四种合金使用了表3中指定的对应于PP4加工的工艺参数。制备的所得带材具有通常为～1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。使用微尺度拉伸测试在室温下将所制备的带材进行拉伸测试。在由Fullam Inc制备的工业拉伸平台中进行测试。在采用～0.001s-1的应变速率的位移控制下进行所有测试。在图15-18中，对于A2、B2、C2和D2合金分别显示了代表性的拉伸应力-应变曲线。所有四种合金证明了相对高的强度（>2.5GPa）、强烈的连续应变硬化和大于2%的塑性延展性。
实施例9
使用高纯度元素，根据表1中提供的原子比称取15g A2合金的高纯度（HP）原料。使用含铁添加剂和其它已经可商购的组分，根据表1中提供的原子比称取15g A2合金的工业纯度（CP）原料（至多10at%杂质）。随后将原料材料置于电弧熔炼系统的铜炉膛中。使用高纯度氩作为保护气体将原料电弧熔炼成锭子。将锭子翻转几次并且重熔以确保均匀性。在混合后，然后将锭子铸造成约12mm宽乘30mm长和8mm厚的指状物形式。随后将所得的指状物置于具有～0.81mm的孔洞直径的石英坩埚中的熔融纺丝腔室中。使用RF感应在表3中指定的PP2和PP4工艺参数下将锭子熔化并加工然后喷射到245mm直径铜轮上，该铜轮在不同切向速度下运行。制备的所得带材具有通常为～1.25mm的宽度和0.020-0.060mm的厚度。使所制备的带材经受表25中列出的不同条件下的热处理。
表25热处理参数
Figure BDA00003415880500471
*Tcr-当带材维持90%或更高的弯曲能力时由H03、H02和H01热处理确定的最大温度。
使用NETZSCH DSC404F3Pegasus差示扫描量热仪（DSC）在经热处理的带材上进行热分析。通过流动的超高纯度氩的使用使样品免于氧化，在10℃/分钟的加热速率下的恒定加热速率扫描。在表26中，对于在表3中指定的PP2工艺条件下熔融纺丝的经热处理的合金显示了与玻璃至结晶转变相关的DSC数据。玻璃至结晶转变在393℃-500℃温度范围内的一个或两个阶段中发生并且具有63J/g至92J/g的转变焓。在表27中，对于在表3中指定的PP4工艺条件下熔融纺丝的经热处理的合金显示了与玻璃至结晶转变相关的DSC数据。玻璃至结晶转变在395℃-460℃温度范围内的一个或两个阶段中发生并且具有56J/g至86J/g的转变焓。
表26在PP2参数下加工的经热处理的带材的DSC数据
Figure BDA00003415880500481
表27在PP4参数下加工的经热处理的带材的DSC数据
为了测量弯曲延展性，使用自制起皱系统使经加工的带材样品起皱。对于每种样品，选择一米长度的均匀带材并且随后使其起皱，并且对于经热处理的在PP2和PP4参数下加工的合金分别在表28-29中列出断裂的总数目。
表28在PP2参数下加工的经热处理的带材的波纹结果
热处理ID 每1米的断裂数目
H00 0
H01 0
H02 0
H03 0
H04 77
H05 ＞100
H06S ＞100
表29在PP4参数下加工的经热处理的带材的波纹结果
热处理ID 每1米的断裂数目
H00 0
H01 0
H02 0
H03 0
H04 54
H05 ＞100
H06S 95
在～0.001s-1的应变速率下使用微尺度拉伸测试在室温下获得金属带材的机械性质。在表30中，对于在表3中指定的PP2工艺条件下熔融纺丝的经热处理的合金显示了包括规格尺寸、延伸率、断裂载荷、屈服应力、极限强度和杨氏模量的拉伸测试结果的总结。拉伸强度值从1.11GPa变化至2.70GPa，总延伸率值从1.32%变化至4.73%。在表31中，对于在表3中指定的PP4工艺条件下熔融纺丝的经热处理的合金显示了包括规格尺寸、延伸率、断裂载荷、屈服应力、极限强度和杨氏模量的拉伸测试结果的总结。拉伸强度值从2.49GPa变化至2.86GPa，总延伸率值从2.86%变化至4.62%。在两种情况中，在高于结晶峰的温度下退火后合金都是脆性的。注意，对于机器柔度和样品几何形状，调整了表30-31中显示的结果。
表30在PP2参数下加工的经热处理的带材的抗拉性质
Figure BDA00003415880500511
表31在PP4参数下加工的经热处理的带材的抗拉性质
Figure BDA00003415880500521
本文中的合金可用于多种应用中。这些应用包括：（1）防弹衣（人穿戴的刺戳和弹道保护），因为该合金表明所需的柔韧性并且可制得相对薄，具有相对低的密度以保持为隐蔽的；（2）结构蜂窝构造（由垂直壁分离的小室排列，其中小室优选形状为柱形和六边形），因为该合金提供相对高的比强度、刚度和耐腐蚀性；（3）壳体饰面（enclosure facings）例如用于便携电子设备的那些，因为该合金提供相对高的划痕抵抗性、耐腐蚀性和金属光洁度；（4）用于电力或信号的传输电缆，因为可配置该合金来提供强度和盔甲（保护）；（5）轮胎防具，因为该合金可提供抗击穿性和/或刚化；（6）鞋类，因为该合金可提供抗击穿性或耐磨性；（7）复合材料组合物（例如聚合物树脂基的），因为该合金提供相对高的强度、刚度、导电性和/或导热性或EMI屏蔽；（8）用于增强混凝土的纤维，因为除了耐腐蚀性的改善外，该合金还可提供对裂纹形成的高抵抗性和裂纹形成后的残余强度；（9）用于增强聚合物（包括热塑性（不交联）和/或热固性（交联）树脂）的纤维，因为该合金提供提高的强度、刚度、导热性或导电性和耐腐蚀性。
出于说明的目的给出了几种方法和实施方案的前述描述。其并不旨在为排它性的或限制所公开的精确步骤和/或形式，并且考虑到上述教导，显而易见很多修改和改变是可能的。

Claims (18)

1.一种金属合金，其包含：
在45.0原子%-71原子%水平的Fe；
在4.0原子%-17.5原子%水平的Ni；
在11.0原子%-16原子%水平的B；
在0.3原子%-4.0原子%水平的Si；
该合金包含在5.0体积%-95.0体积%范围内存在的失稳玻璃基体显微成分（SGMM）组织，并且确定具有不同化学组成的两种相，其中所述SGMM组织包括一种或多种半结晶相或结晶相，其中半结晶相包含展现2.0nm或更小的最大线性尺度的簇，并且所述结晶相包含展现大于2.0nm的最大线性尺度的簇和玻璃基体，其中玻璃相中的结构单元具有
Figure FDA00003415880400011
的尺寸，并且其中所述合金具有0.4GPa-3.9GPa的极限拉伸强度和0.4%-5.5%的拉伸延伸率。
2.权利要求1的金属合金，其中所述合金具有7.40g/cm3-7.80g/cm3的密度。
3.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金在396℃-713℃温度范围内展现玻璃至结晶的转变。
4.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金展现900-950的维氏硬度。
5.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金具有大于1.0微米的厚度。
6.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金展现诱发剪切带钝化（ISBB）以防止剪切带在合金中扩展。
7.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金展现剪切带捕获相互作用（SBAI），其通过剪切带/剪切带相互作用而捕获剪切带。
8.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金包括在0.1原子%-19.0原子%水平的铬。
9.前述权利要求中任一项的金属合金，其中所述合金置于或用于以下物件中的一种或多种中：防弹衣、结构蜂窝构造；壳体饰面；用于电力或信号的传输电缆；轮胎；鞋类；复合材料；混凝土；或包括热塑性和/或热固性聚合物树脂的聚合物树脂材料。
10.一种用于形成包含失稳玻璃基体显微成分（SGMM）的金属合金的方法，其包括：
提供金属合金，其包含在45.0原子%-71原子%水平的Fe；在4.0原子%-17.5原子%水平的Ni；在11.0原子%-16原子%水平的B；和在0.3原子%-04.0原子%水平的Si；
熔化该合金并且冷却和形成所述失稳玻璃基体显微成分，其中所述金属合金在冷却时分离成化学组成和物理性质不同的两种独特相，其中所述相形成不受成核控制并且所述SGMM组织包括一种或多种半结晶相或结晶相，其中半结晶相包含展现2.0nm或更小的最大线性尺度的簇，并且所述结晶相包含展现大于2.0nm的最大线性尺度的簇和玻璃基体，其中玻璃相中的结构单元具有
Figure FDA00003415880400021
的尺寸；
其中包含所述SGMM组织的所述合金具有0.4GPa-3.9GPa的极限拉伸强度和0.4%-5.5%的拉伸延伸率。
11.权利要求10的方法，其中所述SGGM组织以5.0体积%-95体积%的水平存在于所述合金中。
12.权利要求10-11中任一项的方法，其中所述合金在396℃-713℃温度范围内展现玻璃至结晶的转变。
13.权利要求10-12中任一项的方法，其中所述合金展现900-950的维氏硬度。
14.权利要求10-13中任一项的方法，其中所述合金具有大于1.0微米的厚度。
15.权利要求10-14中任一项的方法，其中所述冷却包括以下中的任一种：熔融纺丝、喷射铸造、超急冷、线材铸造、平面流动铸造或双辊铸造。
16.权利要求10-15中任一项的方法，其中包含所述SGMM组织的所述合金具有0.5mm-5.0mm的厚度。
17.权利要求10-16中任一项的方法，其中包含所述SGGM组织的所述合金为线材或纤维形式，具有1μm-120μm的直径。
18.权利要求10-17中任一项的方法，其中所述合金包括在0.1原子%-19.0原子%水平的铬。
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