非晶的形成、參數(shù)及設(shè)計方法綜述

1、非晶的形成、參數(shù)及設(shè)計方法綜述    論文關(guān)鍵詞非晶 形成能力 參數(shù) 設(shè)計方法    論文摘要不同的非晶合金體系其非晶形成能力有所不同，衡量非晶合金的形成能力的參數(shù)：過冷液相區(qū)、約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度、電子濃度、原子尺寸。在描述合金非晶形成能力的各種參數(shù)中，過冷液相區(qū)的范圍tx和約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度trg是兩個最重要最常用的參數(shù)，然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，僅用這兩個參數(shù)并不能完全解釋所得到的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。于是，用來表征合金非晶形成能力的各種參數(shù)被相繼提出。  一、引言  1989年，inoue等人首

2、次發(fā)現(xiàn)mg-cu-y，la-al-tm(tm=ni，cu，fe)合金系列存在明顯的過冷液相區(qū)，并采用低壓鑄造將其制備成非晶棒和非晶板。隨后，inoue等人又發(fā)現(xiàn)具有高非晶形成能力的合金系列，如zr-al-tm，zr-ti-al-tm、zr-ti-tm等。1993年，peker等首次報道了zr-ti-ni-cu-be大塊非晶，此后其最大尺寸已達(dá)30 mm以上。而pd-ni-cu-p非晶合金的報道尺寸為72 mm。這說明不同的合金系非晶形成能力是不同的，這就需要提出一些參數(shù)來衡量不同合金系非晶形成能力的大小。目前，用來表征合金非晶形成能力的參數(shù)有過冷液相區(qū)溫度tx、約化玻璃轉(zhuǎn)變

3、溫度trg、臨界冷卻速度rc、試樣的最大尺寸zmax和表征合金玻璃形成能力參數(shù)(d·e·d·smix·tm/hm記作)，但是這些參數(shù)都需要預(yù)先制備出非晶樣品，當(dāng)然還有一些從合金物理結(jié)構(gòu)上考慮的參數(shù)，也包含了一些需要試驗(yàn)測定的參數(shù)。    二、非晶合金的形成  影響玻璃形成能力(gfa)的因素有:合金中原子的鍵合特征、電子結(jié)構(gòu)、原子尺寸的相對大小、各組元的相對含量、合金的熱力學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)的晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。一般說來，如果某種物質(zhì)對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，原子之間的鍵合較強(qiáng)，并且有特定的指向，其形成玻璃結(jié)構(gòu)在動力學(xué)上要容易一些。inou

4、e總結(jié)了三條實(shí)驗(yàn)規(guī)律:(1)合金由三種以上組元組成。(2)各組元原子尺寸差別較大，一般大于10%。(3)三個組元具有負(fù)的混合熱。從液晶到形成非晶態(tài)，原子結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化。各組成元素之間一般具有大于10%的原子尺寸差異和負(fù)的混合熱。這樣能夠形成緊密隨機(jī)堆垛結(jié)構(gòu)，因此能夠增大固液界面能，抑制結(jié)晶形核，也增大了長程范圍內(nèi)原子的重排困難性，抑制了晶體的生長。目前還沒有關(guān)于非晶形成的完整理論來進(jìn)行合金成分設(shè)計和預(yù)測非晶形成能力，主要靠實(shí)驗(yàn)一步一步地研究和探索。附表給出了可能形成大體積非晶合金的元素組合。    三、表征非晶形成能力的參數(shù)  理論上，只要溫度足夠高，冷卻速度

5、足夠快，使得原子來不及擴(kuò)散，幾乎所有的合金都能制備成非晶態(tài)合金。但是，事實(shí)上并不是所有的非晶只要滿足該條件就能制備出來。有些非晶合金需要在緩冷的條件下制得。  （一）過冷液相區(qū)tx  過冷液相區(qū)tx=txtg，tx為晶化溫度，tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度。tx表示當(dāng)非晶合金被加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度tg溫度時，其反玻璃化的趨勢，這是檢驗(yàn)非晶合金熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。inoue認(rèn)為大的tx意味著過冷液相區(qū)存在較寬的抑制結(jié)晶溫度區(qū)，這就導(dǎo)致合金具有大的玻璃形成能力。發(fā)現(xiàn)tx越大，熱穩(wěn)定性越好，越易形成非晶合金。但是這不代表所有的情況，有些具有較大非晶形成能力的合金卻具有小的tx值。甚至發(fā)現(xiàn)非

6、晶的形成能力與tx之間不存在必然的聯(lián)系。因此，tx并不能廣泛地表征非晶形成能力。  （二）約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度trg  turnbull提出的約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度trg=tg/tm，lu等人在約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度trg=tg/tm的基礎(chǔ)上提出了另外一種約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度的表示形式，即trg=tg/tl，其中tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度，tm為熔化溫度，tl為熔化結(jié)束溫度（即液相線溫度）。實(shí)驗(yàn)證明trg值可以很好的表征非晶的形成能力，隨著trg值不斷增大，非晶形成能力也增高。對于理想的深共晶成分合金來說tg/tm與tg/tl差別不大，但某些具有強(qiáng)非晶形成能力的合金成分并不位于深共晶點(diǎn)附近，tg/tm

7、與tg/tl的值差別就會很大。lu4等發(fā)現(xiàn)tg/tl比tg/tm能更好的體現(xiàn)非晶的形成能力。    四、非晶形成能力及成分設(shè)計的方法“混亂”原則和“bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”  （一）“混亂”原則  greer提出非晶態(tài)合金成分設(shè)計的“混亂”原則，隨合金組元數(shù)目增多及組元原子半徑差增大，合金的玻璃形成能力增強(qiáng)。egami進(jìn)一步發(fā)展了“混亂”原則。他將拓?fù)鋵W(xué)理論應(yīng)用到多元塊體非晶態(tài)合金得出了有利于塊體非晶形成的四個條件：增加組元的原子尺寸比；增加相關(guān)組元的數(shù)目；增加大、小原子間的相互作用；在小原子間引入排斥作用?！盎靵y”原則促進(jìn)玻璃形成的內(nèi)在原因在于增大了結(jié)晶阻力，增

8、加了結(jié)構(gòu)致密度14，并降低了合金熔點(diǎn)。  從熱力學(xué)上講，過冷液相與晶體相之間的gibbs自由能差g越小，越有利于非晶相的形成。根據(jù)g=h-ts，降低熔化焓h，增加熔化熵s，均使g減小。由于s與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)成正比，故增加組元數(shù)可以有效提高s并增大原子無序密堆排列的程度。原子無序密堆排列程度的增加有利于減小h并增加液固界面能4。因此，組元數(shù)目增加可有效降低結(jié)晶驅(qū)動力g，提高玻璃形成能力。  （二）bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)  近幾年，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也為研究非晶形成能力提供了有效方法。人們發(fā)現(xiàn)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對材料組分及性能間非線性關(guān)系進(jìn)行研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡稱（

9、artificial neural networks ann）是模仿生物神經(jīng)的結(jié)構(gòu)與功能所構(gòu)造出來的人工智能系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的容錯性以及很好的聯(lián)想記憶能力，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其近幾年來，大多選用誤差逆?zhèn)鞑ィ╞ack-propagation network，簡稱bp）網(wǎng)絡(luò)對材料設(shè)計和性能預(yù)測。bp屬于向前網(wǎng)絡(luò)，是典型的有導(dǎo)師學(xué)習(xí)機(jī)制。它只需要對輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，就可以對輸入輸出建立某種內(nèi)在聯(lián)系，從而進(jìn)行預(yù)測。這就節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)摸索，可以依據(jù)預(yù)測結(jié)果有選擇的進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)省了時間，提高了效率。 

10、60; 五、結(jié)語  綜合上述分析不難看出，過冷液相區(qū)的范圍tx和約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度trg是目前非晶研究中應(yīng)用最為廣泛的兩個用以描述合金非晶形成能力的重要參數(shù)。然而對于實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的一些新現(xiàn)象，僅用這兩個參數(shù)不能得到圓滿的解釋。于是各種用以表征合金非晶形成能力的新參數(shù)相繼出現(xiàn)。這些新參數(shù)都在某一方面或?qū)τ谀承┖辖鹣稻哂幸欢ǖ暮侠硇?，但同時也具有很大的局限性。因此，隨著實(shí)驗(yàn)過程中各種新現(xiàn)象的不斷出現(xiàn)，尋求一種能夠正確表征不同合金非晶形成能力的新參數(shù)就成為目前非晶合金研究中需要迫切解決的問題之一。    參考文獻(xiàn)  1王煥榮、石志強(qiáng)、滕新營、閔光輝、葉以富，合金非晶形成能力的研究進(jìn)展j，功能材料，2002，33(4)，357-3