非晶合金形成熔体的热力学性质、脆性和非晶形成能力相关性研究

摘要

非晶的形成是凝聚态物理基础理论中一个重要问题和难题，涉及动力学和热力学的众多前沿问题。通过研究金属非晶形成熔体的热力学特征、热力学和动力学相关性，预测材料的性质，对实际生产提供参考。本文以热力学性质、脆性和非晶形成能力(glass forming ability, GFA)相关性研究为主线，通过DSC热分析、比热测量、高温黏度测量等试验手段对La基、Sm基和Al基非晶合金展开研究。
　　 对于La基非晶合金，被广泛接受的热力学脆性参数F0.8、G3/4和动力学脆性参数m在一定程度上存在一致性。从这两个热力学脆性参数的定义（过剩熵曲线的截距）出发，如果截距取不同的位置就会产生不同的结果，这种定义热力学脆性的方法之所以会产生歧义，是由约化过剩熵曲线和Angell曲线的不同形状导致的。以斜率代替截距，本文定义了新的热力学脆性表达式m△s和M△S，其中M△S与m成正相关，优于F0.8、G3/4和m△s。在快速冷却制备大块非晶的过程中，Tm（脆性区域开始阶段）处的熵变速率，对于决定非晶形成在脆性区域的液体结构稳定性具有重要作用。
　　 对Al-(Ni)-Yb体系黏度η、过热脆性M和GFA的研究表明，对于Al-Yb二元合金，原子百分比为8～11的范围内，熔体液相线黏度值ηL随Yb的增加而上升，且与合金非晶形成能力成正比。加入过渡金属Ni后，Al-Ni-Yb三元体系中GFA增强，液相线黏度ηL升高。在Al-Yb和Al-Ni-Yb两种体系中，表征黏度变化率的流变激活能E和过热脆性M都可以在一定范围内与合金的非晶形成能力正相关，后者的应用范围更广泛，但在描述多种体系的非晶形成能力时都存在不足，如何使黏度更广泛的应用于GFA的预测还需要进一步的研究。
　　 在对热力学性质和非晶形成能力的相关性研究中，提出了量化的参数A表示比热在熔体和过冷液体间转变时比热的变化速度。发现对于Al基边缘非晶合金A较大（＞35×10-3J/mol*K2），而对于大块非晶，A普遍较小(＜35×10-3J/mol*K2)。但在实验研究的La基、Sm基和Al基非晶体系内，A越大GFA越强。通过对La基非晶的热力学性质的测量和计算表明，Gibbs自由能差(△Gliq-cry)作为晶化激活能能够衡量不同体系之间GFA的差别，△Gliq-cry越小非晶形成能力越强。但是，对于成分相似的同一个体系来说，必须要引入动力学因子来区分非晶形成能力。