大块非晶合金形成范围和热稳定性的预测方法

论文摘要

金属玻璃作为一种新型材料,已经在理论和实验上得到了深入研究,在工程领域中具有广阔的应有前景。但在实际应用中由于热稳定性与尺寸的限制,难以作为结构材料得到广泛应用。目前,仍然缺少一个广泛适用的方法来对大块金属玻璃的热稳定性和形成范围进行预测。在开发新的大块非晶合金的过程中,主要还是依赖于试错的方法。基于金属玻璃加热时的晶化过程的分析,本论文研究了大块非晶合金的热稳定性问题。通过计算Mg-Cu-Y、Pd-Cu-Si、Cu-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等多元合金系统中非晶合金的吉布斯形成能,发现它们分别与实验上得到的晶化温度之间存在很强的负相关线性关系。根据该线性关系,可以仅仅利用元素基本物理化学数据来计算非晶合金吉布斯形成能来预测任意成分金属玻璃的晶化温度,从而节约了成本。与前人预测非晶合金热稳定性的方法相比,本方法具有独特的优势,它不仅能在更广成分范围内预测非晶合金的热稳定性,而且对更多合金系统同样有效,具有重要的理论与实际的意义。本论文研究了大块非晶合金形成成分范围问题,探讨如何预测、设计尺寸较大的金属玻璃。在考虑原子堆积和热力学因素的基础上,采用合金元素的基本物理化学数据,用一个简单方法定量计算预测了Cu-Zr二元合金、Cu-Zr-Ti、Cu-Zr-Al、Cu-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等多元合金系统的大块非晶合金形成成分范围。化学结合作用对大块非晶合金形成具有重要影响。该影响主要体现在以下三个方面。首先,最近邻原子层内具有强的化学结合作用的原子对才能形成稳定的团簇。其次,拓扑结构与化学结合作用相似的合金系统具有相似的大块非晶合金形成成分范围;而拓扑结构相似,化学结合作用不同的合金系统具有不同的大块非晶合金形成成分范围。最后,具有低负值化学混合焓的合金,即使能在结构上形成有效密堆积,也不能形成大块非晶合金。考虑到化学结合作用对大块非晶合金形成的影响,本文预测得到的大块非晶合金形成成分与共晶点比较接近,并与实验结果吻合得比较好。从热力学方面考虑,化学混合焓为大负值的合金通常更容易形成大块非晶合金,然而,本文发现,大块非晶合金并不总是在具有更大负值化学混合焓的合金中形成。这是由于有些具有很大负值化学混合焓的原子对由于不能紧密堆积而不会大量出现在大块非晶合金的微观结构中。从拓扑结构方面考虑,本文预测成分点的合金,其组元原子在空间有效堆积,也更加容易形成大块非晶合金,可是本文发现,大块非晶合金并不总是恰好在预测成分点形成。这是由于在堆积有效性相差不大的情况下,有些具有很大负值混合焓的原子对也出现在大块非晶合金的原子结构中。拓扑堆积与化学结合作用对大块非晶合金的形成同样具有重要影响,并彼此竞争。组元原子间的有效团簇堆积从结构上使得合金稳定,结果在原子有效堆积的合金中,即使它们不是热力学上最稳定的,大块非晶合金也能形成。而组元原子间强的化学结合从热力学上使得合金稳定,结果在具有大负值化学混合焓的合金中,即使它们不是原子堆积上最有效的,大块非晶合金也能形成。本文中提出的这两种广泛适用的方法分别对大块非晶合金的热稳定性和形成成分范围具有真正意义上的预测性。可以被用来快速有效地开发新的大块非晶合金。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 金属玻璃的历史
• 1.2 金属玻璃的结构
• 1.2.1 金属玻璃的结构特点
• 1.2.2 金属玻璃的结构模型
• 1.3 金属玻璃非晶形成能力的评价与预测
• 1.3.1 影响非晶形成能力的热力学与动力学因素
• 1.3.2 评价非晶形成能力的经验原则及实际应用
• 1.3.3 非晶形成能力的定量计算
• 1.3.4 定量计算和预测非晶形成能力：未来发展方向
• 1.4 金属玻璃形成范围的评价与预测
• 1.4.1 利用吉布斯自由能差对非晶形成范围的预测
• 1.4.2 利用动力学分析对非晶形成范围的预测
• 1.4.3 利用非晶形成能力指标α对非晶形成范围的预测
• 1.4.4 利用约化液相线温度对非晶形成范围的预测
• 1.5 金属玻璃的热稳定性
• 1.6 研究趋势、存在的问题及本研究的意义
• 1.7 本文构想
• 第2章 吉布斯自由能和Miracle 的金属玻璃原子结构模型
• 2.1 吉布斯自由能
• 2.1.1 吉布斯自由能计算方法
• 2.1.2 计算参数
• 2.2 Miracle 的金属玻璃原子结构模型
• 2.2.1 模型简介
• 2.2.2 金属玻璃形成成分的计算
• 第3章 Gd-Fe（Ni）-Al 合金系统非晶形成范围和非晶形成能力的热力学分析
• 3.1 前言
• 3.2 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 第4章 Gd-Ni（Co）-Al 系统大块非晶形成范围及热稳定性预测
• 4.1 前言
• 4.2 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 多元合金系统大块非晶热稳定性预测
• 5.1 前言
• 5.2 代表性大块非晶形成合金系统非晶合金热稳定性预测
• 5.3 稀土基大块非晶合金热稳定性预测
• 5.4 本章小结
• 第6章 Cu-Zr 二元以及Cu-Zr 基多元合金系统大块非晶形成范围预测
• 6.1 前言
• 6.1.1 大块非晶形成成分范围的预测方法
• 6.1.2 实验上制备的Cu-Zr 二元以及Cu-Zr 基多元大块非晶
• 6.2 结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 第7章 三元合金系统大块非晶形成范围的预测
• 7.1 前言
• 7.2 结果与讨论
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录