大塊非晶合金形成范圍和熱穩(wěn)定性的預(yù)測方法.pdf

1、金屬玻璃作為一種新型材料，已經(jīng)在理論和實(shí)驗(yàn)上得到了深入研究，在工程領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)有前景。但在實(shí)際應(yīng)用中由于熱穩(wěn)定性與尺寸的限制，難以作為結(jié)構(gòu)材料得到廣泛應(yīng)用。 目前，仍然缺少一個(gè)廣泛適用的方法來對(duì)大塊金屬玻璃的熱穩(wěn)定性和形成范圍進(jìn)行預(yù)測。在開發(fā)新的大塊非晶合金的過程中，主要還是依賴于試錯(cuò)的方法。 基于金屬玻璃加熱時(shí)的晶化過程的分析，本論文研究了大塊非晶合金的熱穩(wěn)定性問題。通過計(jì)算Mg-Cu-Y、Pd-Cu-Si、Cu

2、-Zr-Al、Gd-Ni-Al、Gd-Co-Al、La-Al-Ni-Cu、 Sc-Al-Co-Y、Gd-Y-Al-Co、Er-Al-Co-Y、Pr-Cu-Ni-Al、Ce-Al-Cu、Ce-Al-Ni-Cu以及Ce-Al-Cu-Zn等多元合金系統(tǒng)中非晶合金的吉布斯形成能，發(fā)現(xiàn)它們分別與實(shí)驗(yàn)上得到的晶化溫度之間存在很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。 根據(jù)該線性關(guān)系，可以僅僅利用元素基本物理化學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算非晶合金吉布斯形成能來預(yù)測任意成分金屬玻

3、璃的晶化溫度，從而節(jié)約了成本。與前人預(yù)測非晶合金熱穩(wěn)定性的方法相比，本方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它不僅能在更廣成分范圍內(nèi)預(yù)測非晶合金的熱穩(wěn)定性，而且對(duì)更多合金系統(tǒng)同樣有效，具有重要的理論與實(shí)際的意義。 本論文研究了大塊非晶合金形成成分范圍問題，探討如何預(yù)測、設(shè)計(jì)尺寸較大的金屬玻璃。在考慮原子堆積和熱力學(xué)因素的基礎(chǔ)上，采用合金元素的基本物理化學(xué)數(shù)據(jù)，用一個(gè)簡單方法定量計(jì)算預(yù)測了Cu-Zr二元合金、Cu-Zr-Ti、Cu-Zr-Al、Cu

4、-Zr-Ni-Ti、 Cu-Zr-Ni-Al-Ti、Ca-Mg-Zn、Mg-Cu-Y、Gd-Ni-Al、Gd-Co-Al、La-Al-Co以及Ce-Al-Co等多元合金系統(tǒng)的大塊非晶合金形成成分范圍。 化學(xué)結(jié)合作用對(duì)大塊非晶合金形成具有重要影響。該影響主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。 首先，最近鄰原子層內(nèi)具有強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合作用的原子對(duì)才能形成穩(wěn)定的團(tuán)簇。 其次，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)合作用相似的合金系統(tǒng)具有相似的大塊非晶合金形成

5、成分范圍；而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似，化學(xué)結(jié)合作用不同的合金系統(tǒng)具有不同的大塊非晶合金形成成分范圍。 最后，具有低負(fù)值化學(xué)混合焓的合金，即使能在結(jié)構(gòu)上形成有效密堆積，也不能形成大塊非晶合金。 考慮到化學(xué)結(jié)合作用對(duì)大塊非晶合金形成的影響，本文預(yù)測得到的大塊非晶合金形成成分與共晶點(diǎn)比較接近，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好。 從熱力學(xué)方面考慮，化學(xué)混合焓為大負(fù)值的合金通常更容易形成大塊非晶合金，然而，本文發(fā)現(xiàn)，大塊非晶合金并不總是在具有

6、更大負(fù)值化學(xué)混合焓的合金中形成。這是由于有些具有很大負(fù)值化學(xué)混合焓的原子對(duì)由于不能緊密堆積而不會(huì)大量出現(xiàn)在大塊非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)中。 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面考慮，本文預(yù)測成分點(diǎn)的合金，其組元原子在空間有效堆積，也更加容易形成大塊非晶合金，可是本文發(fā)現(xiàn)，大塊非晶合金并不總是恰好在預(yù)測成分點(diǎn)形成。這是由于在堆積有效性相差不大的情況下，有些具有很大負(fù)值混合焓的原子對(duì)也出現(xiàn)在大塊非晶合金的原子結(jié)構(gòu)中。 拓?fù)涠逊e與化學(xué)結(jié)合作用對(duì)大塊非晶合

7、金的形成同樣具有重要影響，并彼此競爭。組元原子間的有效團(tuán)簇堆積從結(jié)構(gòu)上使得合金穩(wěn)定，結(jié)果在原子有效堆積的合金中，即使它們不是熱力學(xué)上最穩(wěn)定的，大塊非晶合金也能形成。而組元原子間強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合從熱力學(xué)上使得合金穩(wěn)定，結(jié)果在具有大負(fù)值化學(xué)混合焓的合金中，即使它們不是原子堆積上最有效的，大塊非晶合金也能形成。 本文中提出的這兩種廣泛適用的方法分別對(duì)大塊非晶合金的熱穩(wěn)定性和形成成分范圍具有真正意義上的預(yù)測性?？梢员挥脕砜焖儆行У亻_發(fā)新的大