大塊非晶合金玻璃形成能力與液體脆性的研究.pdf

1、本文主要選擇稀土基大塊非晶合金為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了它們的玻璃形成能力(GFA)、熱膨脹行為及液體脆性，并對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了探討。利用高溫X射線衍射儀研究了金屬液體中團(tuán)簇隨溫度變化的行為，提出了液體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)的概念，并就其與玻璃形成能力的相關(guān)性進(jìn)行了討論。利用X射線衍射(XRD)、差示掃描量熱(DSC)以及熱力學(xué)計(jì)算等方法，分析了RE55Al25Co20(RE=Ce，Pr，Nd，Sm，Gd)合金系的玻璃形成能力，發(fā)現(xiàn)利用銅模吸鑄方法

2、制備成直徑為2mm的合金棒時(shí)，只有Sm55Al25Co20和Gd55Al25Co20合金能夠得到完全的非晶結(jié)構(gòu)，PrssAl25Co20和Nd55Al25Co20合金得到非晶與晶體共存的結(jié)構(gòu)，而Ce55Al25Co20只能得到晶體結(jié)構(gòu)。因此，在五種合金中，SmssAl25Co20和Gd55Al25Co20合金的玻璃形成能力最強(qiáng)，而CessAl25Co20最差。在此基礎(chǔ)上深入研究了Sm55Al25Co20與Gd55Al25Co20合金的玻

3、璃形成能力，利用銅模吸鑄方法首次成功制備了直徑達(dá)4mm的Sm55Al25Co20大塊非晶合金棒和直徑為2mm的Gd55Al25Co20大塊非晶合金棒。并發(fā)現(xiàn)，與GdssAl25Co20合金相比，玻璃形成能力強(qiáng)的Sm55Al25Co20合金具有更小的過冷液體脆性參數(shù)和更小的玻璃轉(zhuǎn)變溫度處的吉布斯自由能差(△G1-x(Tg))。采用熱掃描方法計(jì)算了一系列Gd基大塊非晶合金的過冷液體脆性參數(shù)(m)，從小到大依次為： Gd55Al25Cu10C

4、o5Ni5(m=37)＜Gd55Al25Co10Cu10(m=45)＜Gd55Al25Co10Ni10(m=58)＜Gd55Al25Co20(m=74)。在這些合金中，過冷液體脆性參數(shù)越大，合金的玻璃形成能力越強(qiáng)。對(duì)Gd基非晶合金的熱膨脹行為研究發(fā)現(xiàn)，過冷液體脆性參數(shù)與非晶固體平均熱膨脹系數(shù)成正的線性關(guān)系，與最近鄰原子距離和有效勢(shì)阱深度成負(fù)的線性關(guān)系，這些相關(guān)性為從過冷液體脆性角度研究玻璃形成能力以及理解非晶形成本質(zhì)提供了有益信息。另外

5、，發(fā)現(xiàn)在Gd基非晶合金的熱膨脹曲線上，并沒有因?yàn)閺姆蔷B(tài)向過冷液態(tài)轉(zhuǎn)變而發(fā)生熱膨脹系數(shù)的增大，經(jīng)分析認(rèn)為這種反常的現(xiàn)象與合金在過冷液相區(qū)內(nèi)的黏性流動(dòng)能力有關(guān)。 本研究利用回轉(zhuǎn)振動(dòng)式高溫熔體黏度儀測(cè)量了一系列La基和Sm基大塊非晶合金的過熱液體黏度，發(fā)現(xiàn)用Cu替代La55Al25Ni20合金中的部分Ni以后，合金的黏度降低，黏度值從小到大依次為：La55Al25Ni5Cu15＜La55Al25Ni15Cu5＜La55Al25Ni2

6、0。利用黏度數(shù)據(jù)計(jì)算了三種合金的過熱液體脆性參數(shù)，從小到大分別為：La55Al25Ni5Cu15(M=1.4509)＜La55Al25Ni15Cu5(M=1.6428)＜La55Al25Ni20(M=1.7747)。過熱液體脆性參數(shù)最大的La55Al25Ni20合金玻璃形成能力最差。Sm基大塊非晶合金的過熱液體脆性參數(shù)值從小到大依次為：Sm55Al25Co10Ni10(M=1.8260)＜Sm50Al30Co20(M=1.9588)＜S

7、m55Al25Co10Cu10(M=2.1005)。在這幾種Sm基合金中，過熱液體脆性參數(shù)與玻璃形成能力之間有負(fù)的相關(guān)性，即過熱液體脆性參數(shù)越小，合金的玻璃形成能力越強(qiáng)。通過公式推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在La基和Sm基大塊非晶合金中過冷液體脆性參數(shù)(m)與約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度和過熱液體脆性參數(shù)倒數(shù)的乘積((Tg/Ti)×(1/M)成正比關(guān)系。利用液態(tài)X射線衍射技術(shù)研究了Au-Si合金系的液體微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)在Au-Si合金系液體雙體分布函數(shù)上

8、主峰的右側(cè)存在次峰，它是局域原子有序結(jié)構(gòu)的反映。在Au85Si15，Au81Si19和Au75Si25三種合金中，隨著Si含量的提高次峰越來越明顯，次峰強(qiáng)度最高的Au75Si25合金玻璃形成能力最強(qiáng)。根據(jù)經(jīng)典形核理論和熱力學(xué)理論提出了液體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)B的概念，定義如下，B=drc/dT其中，rc是液體中團(tuán)簇的相關(guān)半徑，T絕對(duì)溫度。參數(shù)B反映了液體中團(tuán)簇尺寸隨溫度變化的快慢。|B|越小表明液體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越有利于非晶的形成。因此，可以用