金屬液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性研究.pdf

1、自1999年《Nature》雜志首先報(bào)道了水的強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性以后，液體的強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象就作為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的前沿和熱點(diǎn)問題被廣泛關(guān)注。研究液體的強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性不僅對(duì)于揭示玻璃轉(zhuǎn)變本質(zhì)和液體凝固特征具有重要的理論價(jià)值，而且在理解玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程和晶化過(guò)程相互競(jìng)爭(zhēng)的規(guī)律、提高金屬液體的玻璃形成能力方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由于金屬玻璃通常是從過(guò)熱熔體快速冷卻得到的，因而從液相線以上溫度到玻璃轉(zhuǎn)變溫度之間的整個(gè)溫度范圍內(nèi)的液體動(dòng)力學(xué)變化便成為揭示

2、液體異常行為(例如強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性)的一個(gè)重要突破口，這也是本論文研究的重點(diǎn)所在。首先以大塊金屬玻璃液體為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)液相線以上溫度區(qū)間和過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的液體動(dòng)力學(xué)行為的探討，系統(tǒng)地研究了大塊金屬玻璃液體中強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性和特殊性，定性、定量確定了大塊金屬玻璃液體的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性；其次以邊緣金屬玻璃液體為研究目標(biāo)，探討了邊緣金屬玻璃液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性及特殊性，分析了邊緣金屬玻璃與大塊金屬玻璃液體強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性的差別，建立了

3、強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性與過(guò)冷液體脆性和玻璃形成能力的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，大塊和邊緣金屬玻璃液體普遍存在明顯的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變，定量性地描述為強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)f大于1。基于描述液體動(dòng)力學(xué)特性的Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan(MYEGA)模型，提出了一個(gè)能夠描述具有強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性的液體黏性動(dòng)力學(xué)行為的物理模型，對(duì)包括強(qiáng)性和脆性機(jī)制在內(nèi)的液體動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行描述；探討了金屬液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變與過(guò)熱熔體脆性的關(guān)系，并研究了獲得液體脆性的不

4、同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)金屬液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 ⑴研究了大塊金屬玻璃液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性、特殊性和定量表征。采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法在玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近的過(guò)冷液相區(qū)和液相線以上溫度區(qū)間對(duì)Gd、Pr、Sm、La和Ce基大塊金屬玻璃體系的液體脆性進(jìn)行研究。探討了大塊金屬玻璃液體的強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性和特殊性，分析了強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變隨合金成分的變化規(guī)律。得出的結(jié)論是強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變普遍存在于大塊金屬玻璃液體中，其轉(zhuǎn)變程度隨合金

5、成分而變化。根據(jù)液體脆性在液相線溫度以上和過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的表現(xiàn)差異確定了金屬液體中強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變強(qiáng)度的定量表征方法，即f等于m'/m，其中液體脆性系數(shù)m量化了Tg附近的過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)的液體脆性，液體脆性系數(shù)m'量化了Tliq以上溫度區(qū)間的液體脆性。這種定量表征方法為金屬液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 ⑵研究了邊緣金屬玻璃液體強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性、特殊性、定量表征以及與過(guò)冷液體脆性之間的關(guān)系。通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)手段，在

6、過(guò)冷液相區(qū)和液相線以上溫度區(qū)間對(duì)Al-Ni-La、Al-Ni-Pr和Al-Ni-Nd三個(gè)合金體系共九種邊緣金屬玻璃的液體脆性分別進(jìn)行研究，獲得液體脆性系數(shù)m和m'。探討了邊緣金屬玻璃液體的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性隨合金成分的變化規(guī)律，研究了邊緣金屬玻璃液體中強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的普遍性及特殊性，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變是邊緣金屬玻璃液體的普遍特性。對(duì)邊緣金屬玻璃液體中強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性進(jìn)行量化表征，獲得強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)f。結(jié)合大塊金屬玻璃液體的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)，探討了強(qiáng)

7、-脆轉(zhuǎn)變與過(guò)冷液體脆性和玻璃形成能力之間的聯(lián)系。得出的結(jié)論是金屬液體的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)f與過(guò)冷液體脆性系數(shù)m成反比例關(guān)系。對(duì)本文所研究的大塊金屬玻璃而言，強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)越大，其玻璃形成能力越好；而對(duì)邊緣金屬玻璃而言，強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變系數(shù)越小，其玻璃形成能力越好。
　　 ⑶基于脆性和強(qiáng)性兩種弛豫機(jī)制，提出一個(gè)適用于具有強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的液體的黏度模型。以MYEGA模型為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)廣義黏度模型，即：其中η∞是極限高溫處的黏度，T是溫度，

8、W1和W2分別是用于描述脆性相和強(qiáng)性相作用的權(quán)重系數(shù)，C1和C2是相應(yīng)于脆性和強(qiáng)性兩種機(jī)制的兩個(gè)約束起始溫度常數(shù)。該廣義黏度模型不僅能夠描述具有強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的液體的動(dòng)力學(xué)黏度特性，同時(shí)也能夠描述不具有強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變特性的液體的動(dòng)力學(xué)黏度特性。根據(jù)上述提出的廣義黏度模型進(jìn)行計(jì)算得到了金屬液體的強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變溫度。得出的結(jié)論是金屬液體強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變發(fā)生在Angell畫法上約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度為0.61～0.81的范圍，即(1.23～1.64)Tg溫度處。

9、
　　 ⑷探討了金屬液體強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變與過(guò)熱熔體脆性的關(guān)系，并研究了獲得液體脆性的不同實(shí)驗(yàn)方法對(duì)金屬液體強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變的影響。計(jì)算了Sm、La、Gd和Cu基大塊金屬玻璃液體以及Al基邊緣金屬玻璃液體的過(guò)熱熔體脆性系數(shù)M，并與強(qiáng)一脆轉(zhuǎn)變系數(shù)f進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)強(qiáng)-脆轉(zhuǎn)變與過(guò)熱熔體脆性有一定的關(guān)聯(lián)，但并不存在嚴(yán)格的線性關(guān)系。以Sm、La、Pr、Gd和Cu基大塊金屬玻璃為研究對(duì)象，通過(guò)比較三點(diǎn)梁彎曲實(shí)驗(yàn)和熱掃描實(shí)驗(yàn)測(cè)得的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)現(xiàn)兩種方法