非晶合金形成熔体的热力学性质、脆性和非晶形成能力相关性研究

论文摘要

非晶的形成是凝聚态物理基础理论中一个重要问题和难题,涉及动力学和热力学的众多前沿问题。通过研究金属非晶形成熔体的热力学特征、热力学和动力学相关性,预测材料的性质,对实际生产提供参考。本文以热力学性质、脆性和非晶形成能力（glass forming ability, GFA）相关性研究为主线,通过DSC热分析、比热测量、高温黏度测量等试验手段对La基、Sm基和A1基非晶合金展开研究。对于La基非晶合金,被广泛接受的热力学脆性参数F0.8、G3/4和动力学脆性参数m在一定程度上存在一致性。从这两个热力学脆性参数的定义（过剩熵曲线的截距）出发,如果截距取不同的位置就会产生不同的结果,这种定义热力学脆性的方法之所以会产生歧义,是由约化过剩熵曲线和Angell曲线的不同形状导致的。以斜率代替截距,本文定义了新的热力学脆性表达式mΔs和MΔs,其中MAs与m成正相关,优于F0.8、G3/4和mΔS。在快速冷却制备大块非晶的过程中,Tm（脆性区域开始阶段）处的熵变速率,对于决定非晶形成在脆性区域的液体结构稳定性具有重要作用。对Al-（Ni）-Yb体系黏度η、过热脆性M和GFA的研究表明,对于Al-Yb二元合金,原子百分比为8-11的范围内,熔体液相线黏度值ηL随Yb的增加而上升,且与合金非晶形成能力成正比。加入过渡金属Ni后,Al-Ni-Yb三元体系中GFA增强,液相线黏度ηL升高。在Al-Yb和Al-Ni-Yb两种体系中,表征黏度变化率的流变激活能E和过热脆性M都可以在一定范围内与合金的非晶形成能力正相关,后者的应用范围更广泛,但在描述多种体系的非晶形成能力时都存在不足,如何使黏度更广泛的应用于GFA的预测还需要进一步的研究。在对热力学性质和非晶形成能力的相关性研究中,提出了量化的参数A表示比热在熔体和过冷液体间转变时比热的变化速度。发现对于Al基边缘非晶合金A较大（>35×10-3J/mol*K2）,而对于大块非晶,A普遍较小（<35×10-3J/mol*K2）。但在实验研究的La基、Sm基和Al基非晶体系内,A越大GFA越强。通过对La基非晶的热力学性质的测量和计算表明, Gibbs自由能差（ΔGliq-cry）作为晶化激活能能够衡量不同体系之间GFA的差别,ΔGliq-cry越小非晶形成能力越强。但是,对于成分相似的同一个体系来说,必须要引入动力学因子来区分非晶形成能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非晶态合金概述
• 1.2 非晶的形成
• 1.2.1 非晶形成的热力学特征的变化
• 1.2.2 非晶形成的动力学特征的变化
• 1.3 非晶形成能力
• 1.4 非晶形成液体的脆性
• 1.4.1 过冷液体脆性概念的提出
• 1.4.2 过热熔体脆性
• 1.4.3 动力学和热力学性质的相关性
• 1.5 本文的研究目的及主要研究内容
• 第二章 实验研究方法
• 2.1 研究方案和技术路线
• 2.2 非晶合金的制备
• 2.2.1 非晶条带的制备方法
• 2.2.2 块状非晶制备方法
• 2.3 热分析
• 2.3.1 差式扫描热分析
• 2.3.2 比热测量
• 2.4 X射线衍射仪的分析（XRD）
• 2.5 液态黏度测量
• 第三章 La基非晶脆性的热力学表征
• 3.1 引言
• 3.2 La基非晶的热力学性质
• 3.2.1 DSC热分析和比热测量结果
• 3.2.2 液体和晶体热力学差值计算
• 3.3 La基非晶的脆性
• 3.3.1 过冷液体脆性
• 3.3.2 La基非晶脆性的热力学表征
• 3.4 本章小结
• 第四章 Al-（Ni）-Yb非晶合金的过热脆性和非晶形成能力
• 4.1 引言
• 4.2 Al-Yb和Al-Ni-Yb合金的非晶形成能力
• 4.3 Al-Yb和Al-Ni-Yb合金的黏度和过热脆性
• 4.4 本章小结
• 第五章 非晶合金熔体的热力学性质和非晶形成能力的关系
• 5.1 引言
• 5.2 La基和Sm基合金的非晶形成能力
• 5.3 比热变化与非晶形成能力
• 5.4 Gibbs自由能差与非晶形成能力
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录一: 硕士在读期间发表的论文
• 附录二: 硕士在读期间获奖情况
• 学位论文评阅及答辩情祝表