大塊非晶合金形成范圍和熱穩(wěn)定性的預測方法.pdf

1、金屬玻璃作為一種新型材料，已經(jīng)在理論和實驗上得到了深入研究，在工程領域中具有廣闊的應有前景。但在實際應用中由于熱穩(wěn)定性與尺寸的限制，難以作為結構材料得到廣泛應用。 目前，仍然缺少一個廣泛適用的方法來對大塊金屬玻璃的熱穩(wěn)定性和形成范圍進行預測。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的方法。 基于金屬玻璃加熱時的晶化過程的分析，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)它們分別與實驗上得到的晶化溫度之間存在很強的負相關線性關系。 根據(jù)該線性關系，可以僅僅利用元素基本物理化學數(shù)據(jù)來計算非晶合金吉布斯形成能來預測任意成分金屬玻

3、璃的晶化溫度，從而節(jié)約了成本。與前人預測非晶合金熱穩(wěn)定性的方法相比，本方法具有獨特的優(yōu)勢，它不僅能在更廣成分范圍內(nèi)預測非晶合金的熱穩(wěn)定性，而且對更多合金系統(tǒng)同樣有效，具有重要的理論與實際的意義。 本論文研究了大塊非晶合金形成成分范圍問題，探討如何預測、設計尺寸較大的金屬玻璃。在考慮原子堆積和熱力學因素的基礎上，采用合金元素的基本物理化學數(shù)據(jù)，用一個簡單方法定量計算預測了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。 化學結合作用對大塊非晶合金形成具有重要影響。該影響主要體現(xiàn)在以下三個方面。 首先，最近鄰原子層內(nèi)具有強的化學結合作用的原子對才能形成穩(wěn)定的團簇。 其次，拓撲結構與化學結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；而拓撲結構相似，化學結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，具有低負值化學混合焓的合金，即使能在結構上形成有效密堆積，也不能形成大塊非晶合金。 考慮到化學結合作用對大塊非晶合金形成的影響，本文預測得到的大塊非晶合金形成成分與共晶點比較接近，并與實驗結果吻合得比較好。 從熱力學方面考慮，化學混合焓為大負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、更大負值化學混合焓的合金中形成。這是由于有些具有很大負值化學混合焓的原子對由于不能緊密堆積而不會大量出現(xiàn)在大塊非晶合金的微觀結構中。 從拓撲結構方面考慮，本文預測成分點的合金，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測成分點形成。這是由于在堆積有效性相差不大的情況下，有些具有很大負值混合焓的原子對也出現(xiàn)在大塊非晶合金的原子結構中。 拓撲堆積與化學結合作用對大塊非晶合

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簇堆積從結構上使得合金穩(wěn)定，結果在原子有效堆積的合金中，即使它們不是熱力學上最穩(wěn)定的，大塊非晶合金也能形成。而組元原子間強的化學結合從熱力學上使得合金穩(wěn)定，結果在具有大負值化學混合焓的合金中，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測性?？梢员挥脕砜焖儆行У亻_發(fā)新的大