基于微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)的非晶合金設(shè)計及性能預測——玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性、機械性能判據(jù)及應用.pdf

1、非晶合金的發(fā)現(xiàn)為凝聚態(tài)物質(zhì)世界打開了一扇新的窗戶。其長程無序、短程有序的獨特結(jié)構(gòu)使其具有異于晶態(tài)合金的機械、物理及化學性能,顯示出廣泛的應用前景和理論研究價值,成為新材料研究的熱點和前沿。目前非晶合金的研究主要分為三個部分:一、“能不能得到非晶,能得到多大尺寸的非晶”的玻璃形成能力問題；二、“制備出的大塊非晶合金性能和結(jié)構(gòu)能保持多久,在多高溫度下能保持穩(wěn)定”的穩(wěn)定性問題；三、“穩(wěn)定的大塊非晶合金其應用性能如何”的應用性能問題。關(guān)于這三個

2、方面的的研究可謂層出不窮,但限于非晶形成過程及非晶結(jié)構(gòu)的復雜性,尚未提出可直接設(shè)計預測非晶合金成分及性能的一般性判據(jù)。這使得對非晶合金的開發(fā)還停留在“試錯法”階段。 本文從微觀結(jié)構(gòu)對非晶合金的影響出發(fā),在分析非晶合金形成的熱力學、動力學及微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出基于合金本征特性的、具有一定可靠性的玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性和機械性能的設(shè)計判據(jù),設(shè)計出一系列Tb基、Tj基、Nd基和Fe基非晶合金.并具體以Ti基和Fe基非晶合金為例,系統(tǒng)

3、說明了設(shè)計具有一定應用背景和較高綜合性能(玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性、以及機械性能或硬磁性能)的非晶結(jié)構(gòu)材料和非晶功能材料的方法,驗證了上述判據(jù)的可靠性。 非晶合金可以看作是凝固的深過冷熔體,其高密度無規(guī)密堆原子結(jié)構(gòu)構(gòu)成固態(tài)非晶無序相的主體。無規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中的原子受到周圍原子束縛,無論是單原子還是原子團的重排都很困難,結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定.凝固過程中,熔體原子結(jié)構(gòu)重排和組分調(diào)整需克服上述阻力,動力學過程也由于相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而變得緩慢。如果在實

4、驗室時間尺度以內(nèi),原子重排受到有效抑制則易于形成非晶結(jié)構(gòu),否則,則形成晶化相結(jié)構(gòu)?；诖?本文提出一個的參數(shù)ε來描述和衡量熔體結(jié)構(gòu)抑制原子有序重排的能力.計算結(jié)果表明,典型非晶合金的ε大多分布于ε<0.6 K<'-1>的區(qū)域,并且ε與臨界冷速呈線性遞減關(guān)系。當合金成分滿足0.25<ε<0.6 K<'-1>時,合金易于形成大塊非晶.該判據(jù)僅與合金本征特性相關(guān),計算簡便,可以同時衡量和預測未知合金的玻璃形成能力。 與經(jīng)由液態(tài)的非晶

5、合金形成過程不同,非晶合金的晶化過程發(fā)生在固態(tài)結(jié)構(gòu)中。由于非晶態(tài)與晶態(tài)之間的熵差很小,晶化過程的驅(qū)動力主要來自于形成焓。 此外,非晶合金的形核長大需要大量的原子重排,非晶結(jié)構(gòu)中原子團簇和短程序作為非晶/晶化相之間的橋梁,對晶化過程將起到?jīng)Q定性作用.其結(jié)構(gòu)類型將影響晶化反應的結(jié)果。因此,成分含量變化或者單一元素合金化的同一非晶合金體系內(nèi),其熱穩(wěn)定性與非晶形成焓呈直線關(guān)系。斜率越大,熱穩(wěn)定性對成分變化越敏感.而斜率符號則揭示出非晶合

6、金的短程有序結(jié)構(gòu)與初始晶化相結(jié)構(gòu)的相似屬性,當二者結(jié)構(gòu)相似時,斜率為負,隨形成焓降低,熱穩(wěn)定性提高,反之亦然。 非晶合金的變形過程也與非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)與組元間的相互作用有關(guān).當物體受到外力作用時,外應力將克服原子間的相互作用和微觀結(jié)構(gòu)的阻力使原子或原子平面發(fā)生相對位移,產(chǎn)生形變。組元之間的相互作用和微觀結(jié)構(gòu)阻力越大,合金產(chǎn)生變形的難度越大,機械性能越高。同一體系非晶合金,主要組元相同,結(jié)構(gòu)差異不大,可以近似認為其機械性能主要取

7、決于非晶形成焓.由Ti基非晶合金的實驗數(shù)據(jù)總結(jié)發(fā)現(xiàn),Ti基非晶合金形成焓越大,機械性能越高。 聯(lián)合運用玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性以及機械性能預測方法,設(shè)計并制備了具有較高綜合性能的Ti基大塊非晶合金Ti<,53>Cu<,15>Ni<,18.5>Al<,7>Sc<,3>Si<,3>B<,0.5>,其最大壓縮強度、最大壓縮變形量和最低Young擔模量分別為的2325MPa、1.6﹪和114Gpa,該合金同時具有良好的玻璃形成能力和熱穩(wěn)定

8、性,其△T<,x>、T<'rg>、γ和ε分別為58K、0.572、0.394和0.390 K<'-1>,最大臨界尺寸2mm.此外,還探索了ε判據(jù)在設(shè)計功能性非晶合金中的應用,獲得了玻璃形成能力和硬磁性能均可于Nd-Fe-Co-Al合金媲美的Nd<,60>Fe<,20>Cu<,10>Al<,10>硬磁性非晶合金.為克服Nd-Fe基非晶合金剩磁性能差的缺點,本文還設(shè)計了四元Fe基非晶合金,其中Fe<,70>Nd<,5>Co<,5>B<,20

9、>的△T<,x>、T<'rg>、γ以及ε的值分別為81K、0.546、0.391和0.463 K<'-1>,通過晶化熱處理法獲得復合硬磁性材料,其剩余磁化強度比Nd-Fe基非晶合金提高10倍以上,達到107.69Am<'2>kg<'-1>,接近目前多組元的Fe基非晶納米晶復合材料的硬磁性能。 從以上理論分析及實驗驗證結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),本文提出的微觀結(jié)構(gòu)判據(jù)能快速有效地設(shè)計新的非晶合金,為非晶合金的設(shè)計開發(fā)節(jié)約大量的人力、物力和財力