合金玻璃形成能力表征与预测以及块体金属玻璃的制备

论文题目: 合金玻璃形成能力表征与预测以及块体金属玻璃的制备

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 蔡安辉

导师: 孙国雄,潘冶

关键词: 块体金属玻璃,判据,单向一次跃迁法则,自由能差,熔化热,漂移,临界冷却速度,激活能

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 快速而又合理地判定合金的玻璃形成能力是开发新型金属玻璃的关键,以较为成熟的Pd基、Mg基、Zr基和La基块体金属玻璃为研究对象,研究其混合熵S mix、原子半径差比率Δd、原子电负性差比率Δe、化学键离子率v、d / e =Δd /Δe、熔化热/凝固潜热ΔHm以及固液自由能差ΔG等参数与金属玻璃的临界冷却速度Rc的关系,建立了可以成功地用于预测合金玻璃形成能力的径向基函数RBF网络模型,并采用真空喷铸法制备了金属玻璃样品,对上述的各种关系和RBF网络模型进行了直接验证。Δd、Δe和v与临界冷却速度Rc的关系中都出现极值现象,对于不同的合金体系,极值出现的位置不同;金属玻璃的最优成分范围以及各种添加元素的最佳添加量行为,可能与此极值现象相关;合金中包含的组元数目多有利于提高其玻璃形成能力,玻璃形成能力强的合金,其各个组元的原子百分含量、组元原子半径差及其电负性差之间的搭配是很和谐的;融合建模的合金系之间包含的主要组元数量和种类越相近,所建立的模型的可靠程度越高,其预测结果与实测结果越吻合。融合Δd和Δe ,得到了一个新的能快速而又准确判定合金玻璃形成能力的判据,即d/e判据,发现其与Rc之间的关系比Δd或Δe与Rc之间的关系表现出的规律更具一致性,即开口向上的抛物线规律,表明具有适中的d /e值的合金有较高的玻璃形成能力,要准确地判定合金的玻璃形成能力必须同时考虑影响合金玻璃形成能力的关键性因素,切不可过分强调某一参数的作用;并且其模型二次项前常数B2反映了合金系的玻璃形成能力对合金成分的敏感性和合金最佳玻璃形成成分范围的大小,B2越大表明该合金系的玻璃形成能力对合金成分越敏感、合金最佳玻璃形成成分范围越窄。应用热力学有关理论,得出了一系列计算金属玻璃ΔG的模型,并把它们划分为三类,简称为第Ⅰ类、第Ⅱ类和第Ⅲ类,提出了极限温度Tj,即模型合理计算自由能差所能达到的最低温度的概念,三类模型分别适合于不同合金的自由能差的计算,模型没有优劣之分;ΔG的计算与熔化温度Tm有关,采用不同的Tm计算,ΔG曲线会发生漂移,漂移的幅度与熔化温度区间ΔT有关,即,ΔT越大,ΔG曲线漂移的幅度越大;提出了合理判定金属玻璃ΔG计算模型的方法,即单向一次跃迁规则,得出了ΔG曲线发生跃迁的约化玻璃温度Trg和ΔT的极小估计值,预测结果与实测结果相吻合;发现金属玻璃的ΔG与其Rc间不存在线性关系;提出了折合熔化温度Tm r和折合系数β(0≤β≤1)的概念,当Tm r合适时,在ΔG恰当处,其玻璃形成能力达到最佳;金属玻璃ΔG小的条件是Trg大且其ΔT适中;通过理论分析和实验验证了Trg作为合金玻璃形成能力的判据的合理性和局限性。实验发现不管是在何种升温速率下采用何种Tm,采用单向一次跃迁规则计算得到的Rc不但在数值上而且在玻璃形成能力趋势上都与实测值吻合,表明单向一次跃迁法则的计算值与采用的升温速率和Tm关系不大;采用单向一次跃迁法则、式(8-5)、Johnson模型等计算的Rc与RBF网络模型的预测值在数值上而且在玻璃形成能力趋势上都与实际情况吻合较好,表明单向一次跃迁法则的正确性与合理性。提出了一个简单而又快速预测合金玻璃形成能力的简洁方法和表征合金玻璃形成能力的新的参数,即ΔHm,其模型预测的Rc与实测结果吻合较好。但是,实验发现ΔHm判据的预测结果比用单向一次跃迁法则的预测结果要差,表明Trg起了不可忽视的作用;采用d/e和ΔHm两个判据所得到的Rc的预测值在数值上吻合较差,尤以后者的结果更差,主要是由于这两个判据只包含了影响合金玻璃形成能力的因素的一部分。在研究RBF网络模型的预测性能中发现,优化独立输入参数和样本的种类及其数量是建立具有优良预测性能的RBF网络的关键,RBF网络才具有最佳的学习效果,达到最优的预测精度和准确率;在样本数一定的情况下,适当添加线性相关程度高的输入参数可以调整RBF网络的内部精细结构,达到提高RBF网络的预测性能的目的;添加合适的样本,可以提高RBF网络局部的甚至全局的预测精度和准确率,而不影响其它区域的预测精度和准确率;实验证实,RBF网络的预测结果与实测值吻合较好,表明RBF网络可以成功地用于金属玻璃的玻璃形成能力的预测,能够大大地减少时间、精力和资本投入;RBF网络具有很强的内插功能,但不具有外插能力。实验结果表明,RBF网络既可合理地预测合金的约化玻璃转变温度和过冷液相区间又能可靠地预测合金的临界冷却速度和临界尺寸,而单向一次跃迁法则、d/e和ΔHm三个判据只能用来预测合金的临界冷却速度,在趋势预测上四种方法的结果基本吻合,但在数值预测上前两者的结果很接近实测结果,后两者的结果与实测结果相差较远,ΔHm判据最差。四种方法可以相互对照、互相补充。金属玻璃的不同的特征温度对升温速率B的敏感程度不同,不同的合金系甚至合金成分的微小改变后的特征温度对升温速率的敏感程度也不同,并且这种敏感性与合金成分偏离共晶成分的程度不同而变化,即合金越靠近共晶成分,这种敏感性就越低;特征温度的自然对数值lnT与升温速率B之间的关系很好地成线性关系;金属玻璃的玻璃转变激活能Eg和初始晶化温度Tx因合金系和合金成分的不同而有较大的差别,靠近共晶成分的合金的玻璃转变激活能和初始晶化温度在同类合金中最大;激活能E与特征温度的升温速率敏感性指标D之间符合线性关系。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的及意义

1.2 块体金属玻璃的研究概况

1.2.1 块体金属玻璃的发展历史

1.2.2 块体金属玻璃的制备

1.2.3 合金玻璃形成能力判定及其成分设计经验规则

1.2.4 表征合金玻璃形成能力的各种参数

1.2.5 块体金属玻璃的成分设计方法

1.3 合金玻璃形成能力判定和成分设计中存在的问题及发展方向

1.4 学位论文的主要研究内容

1.5 研究方案及技术路线

第二章 物理/化学及结构参数与合金玻璃形成能力的关系

2.1 引言

2.2 参数的计算方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

第三章 金属玻璃的玻璃形成能力表征参数d/e

3.1 引言

3.2 参数计算方法

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

第四章 固液两相吉布斯自由能差ΔG的计算

4.1 引言

4.2 ΔG计算模型的推导

4.2.1 模型1

4.2.2 模型2

4.2.3 模型3

4.2.4 其它模型

4.3 结果与分析

4.3.1 取模型中的T_m为合金的熔化开始温度

4.3.2 取模型中的T_m为合金的熔化终了温度

4.3.3 取模型中的T_m为合金折合熔化温度

4.3.4 约化玻璃转变温度T_(rg)和熔化温度区间ΔT的极小估计

4.3.5 金属玻璃固液两相吉布斯自由能差ΔG与临界冷却速度Rc的关系

4.4 本章小结

第五章 块体金属玻璃的玻璃形成能力表征参数ΔG和ΔH_m

5.1 引言

5.2 计算公式

5.3 结果与分析

5.3.1 熔化热/凝固潜热ΔH_m计算方法的合理性检验

5.3.2 MD-1D模型和MD-TS模型的表征结果

5.3.3 基于单向一次跃迁法的综合模型表征结果

5.3.4 基于表征参数ΔH_m的表征结果

5.4 本章小结

第六章 基于人工神经网络的合金玻璃形成能力的预测

6.1 引言

6.2 人工神经网络模型

6.2.1 BP神经网络模型

6.2.2 径向基函数RBF网络

6.3 RBF网络输入参数的选取及其计算公式

6.4 结果与讨论

6.4.1 金属玻璃的熔化温度T_m的计算方法的合理性

6.4.2 输入参数与输出参数的相关关系

6.4.3 RBF网络的设计

6.4.4 RBF网络输入参数及其样本的选取原则

6.4.5 输入输出参数的前处理

6.4.6 约化玻璃转变温度T_(rg)的预测

6.4.7 过冷液相区间ΔT_x的预测

6.4.8 临界尺寸Z_(max)的预测

6.4.9 临界冷却速度R_c的预测

6.5 本章小结

第七章 块体金属玻璃的制备

7.1 材料的成分设计

7.2 实验方法

7.2.1 母合金熔配

7.2.2 样品制备

7.2.3 玻璃样品结构的确认

7.2.4 金属玻璃热稳定性参数的测定

7.3 块体金属玻璃临界尺寸的确定

7.4 本章小结

第八章 块体金属玻璃的变温晶化行为

8.1 引言

8.2 块体金属玻璃热力学特征参数的确定

8.3 块体金属玻璃特征温度的动力学效应

8.4 块体金属玻璃变温晶化激活能

8.5 块体金属玻璃临界冷却速度的计算

8.6 本章小结

第九章 结论

参考文献

附录

个人简历

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢

优秀博士学位论文推荐表

作者简况表

指导教师简况表

发布时间: 2007-06-11

参考文献

• [1].非计量比Zr基Laves相合金的微结构及储氢性能[D]. 张云龙.西北工业大学2017
• [2].AlFeCrCuX高熵合金力学性能的第一性原理计算[D]. 王兰馨.大连理工大学2017
• [3].AlCoCrFeNi系高熵合金抗辐照和抗氧化行为研究[D]. 夏松钦.北京科技大学2018
• [4].高熵合金微观变形机理[D]. 陈陈旭.浙江大学2018
• [5].共晶系合金的深过冷与块体非晶合金晶化研究[D]. 蒲健.华中科技大学2004
• [6].远离平衡条件下Fe-Si合金的结构演化及β-FeSi2相的形成[D]. 王海燕.燕山大学2005
• [7].Al-Cr-（Si）合金系中准晶及其近似晶体相的结构研究[D]. 何战兵.大连理工大学2005
• [8].Au-Cu合金系的系统研究[D]. 余方新.中南大学2005
• [9].液体Al-Fe合金的微观不均匀结构研究[D]. 秦敬玉.山东工业大学1998
• [10].二元系化合物形成合金熔体结构转变及其对凝固的影响[D]. 席赟.合肥工业大学2006

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