【《非晶形成能力的判据综述》2000字】

非晶形成能力的判据综述一般而言，临界冷却速率和临界尺寸是衡量合金的非晶形成能力大小的最直观的参数。然而，前者的数值大小往往难以测量，后者的大小虽然方便测量，但是受制备工艺的影响较大。因此，研究者们不得不寻找更加全面且准确的参数对合金的非晶形成能力作出判断，在这一过程中，不少评估非晶形成能力大小的判据被逐步地建立起来。根据这些判据的特征，可将其分为基于特征温度的判据、基于热力学的判据以及基于合金自身结构和性质的判据。基于特征温度的判据这类判据中所用到的非晶合金的特征温度数值可通过差示扫描量热仪(DSC)进行测量，且计算公式比较简单，因此应用最为广泛。(1)约化玻璃转变温度Trg图1.1Turnbull非晶形成理论中约化玻璃转变温度Trg和形核率的对数的关系示意图（虚线为临界形核率）Turnbull等人[REF_Ref28709\r\h26]根据经典形核理论提出了评估非晶形成能力的参数，即约化玻璃转变温度Trg，其表达式如下：(1-4)其中，Tg为合金的玻璃转变温度，Tm为合金的熔化温度。Turnbull等人认为：随着Trg的升高，熔融合金在快速冷却过程中的均匀形核将会下降；当Trg≥2/3时，熔融合金的均匀形核将变得极其缓慢，在此条件下，若冷却速率高于临界冷却速率，则可以形成完全的非晶态合金。Lu等人[REF_Ref28758\r\h27]经过大量的研究发现，成分接近于共晶处的合金往往具有较好的非晶形成能力，由式(1-4)计算所得的数值在共晶处并不是最大。因此，对Turnbull等人提出的约化玻璃转变温度的表达式进行了修改，即：(1-5)其中，Tl为液相线温度。由式(1-5)可知，高的玻璃转变温度Tg和低的液相线温度Tl有利于非晶态合金的形成。一般处于共晶处的合金，Tl最小，Trg最大，合金的非晶形成能力达到最佳。(2)过冷液相区宽度ΔTxInoue等人[REF_Ref28856\r\h28]在大量研究工作的基础上，提出了过冷液相区宽度ΔTx判据，其表达式如下：(1-6)其中，Tx为起始晶化温度，Tg为合金的玻璃转变温度。ΔTx的数值越大，表示合金能够在Tg以上更宽的温度区间内稳定存在而不发生结晶，过冷液体的热稳定性更好，相应的非晶合金的形成能力更好。然而，过冷液相区宽度ΔTx在某些非晶合金体系内与非晶形成能力的大小并无关联，因此，部分研究者认为，ΔTx的数值大小反映的是合金过冷液体的热稳定性的高低，而不是合金的非晶形成能力的大小。(3)γ判据Lu与Liu[REF_Ref28902\r\h29]综合考虑了非晶形成过程中的动力学和热力学因素，并结合TTT曲线分析大量实验数据后，提出了γ判据，其表达式如下：(1-7)γ判据的值越大，即代表合金的非晶形成能力越好。此外，他们利用回归分析法推导出非晶合金的临界冷却速率Rc和临界尺寸Zc的表达式：(1-8)(1-9)由于γ判据综合考虑了热力学和动力学因素，因此，与Trg、ΔTx判据相比，其更准确地反映了合金非晶形成能力的大小。另外，使用γ判据可以很方便地计算出临界冷却速率Rc和临界尺寸Zc的大小。目前，γ判据被广泛用于合金非晶形成能力大小的判断。基于热力学的判据(1)ε判据Xia等人[REF_Ref29000\r\h30]基于合金组元的负混合焓与混合熵，提出了ε判据，其表达式如下:(1-10)式中，R为气体常数；ci和ri分别为i组元的原子百分含量和原子半径；为i、j组元之间的混合焓。通过对大量非晶合金体系的临界冷却速率、临界半径与ε的拟合计算，Xia等人得出当0.25K-1＜ε＜0.6K-1时，合金易于形成非晶结构，并利用ε判据预测了Tb-Fe-Al三元合金体系的非晶形成能力，最终的实验结果与预测结果相一致，再次印证了ε判据可以有效地用于评估合金的非晶形成能力。(2)γ*判据Xia等人[REF_Ref29045\r\h31]从热力学角度进行分析，认为亚稳态非晶的形成由两方面因素决定：非晶形成的驱动力和非晶抵抗晶化的阻力，并提出了γ*判据，即：(1-11)式中，为非晶形成焓，为金属间化合物形成焓，它们的值可由Miedema法计算得出。当吉布斯自由能的变化小于0时，即：(1-12)合金易于形成非晶结构，然而，最终的合金产物是否是非晶结构，还取决于非晶形成焓和金属间化合物形成焓的相对大小。如果非晶形成焓远大于金属间化合物形成焓，即使在高的冷却速率下，合金仍然会形成晶体结构；只有二者的数值比较接近时，才可以通过急冷等手段抑制金属间化合物的形成，得到非晶合金。γ*值越大，形成非晶的驱动力越大，合金的非晶形成能力越好。γ*判据的计算是以合金平衡相组成为基础，在具有完整相图的二元合金体系中具有良好的适用性，对于不存在完整相图的合金体系，则需要首先对其具体相组成进行研究，再分析其非晶形成能力的大小。基于合金自身结构和性质的判据(1)λn判据Yan等人[REF_Ref16330\r\h32]提出利用合金中各组元原子的半径大小来预测非晶形成能力的λn判据，表达式如下：(1-13)其中，rA、rBQUOTE分别表示A、B组元的原子半径；CB为B组元的原子百分比浓度。经过大量实验发现，当λn≈0.18时合金的非晶形成能力最好、临界尺寸最大。(2)σ参数Park等人[REF_Ref16399\r\h33]认为合金在凝固过程中产生的原子尺寸形变和熔点温度变化会影响其非晶形成能力，在综合考虑这两种因素后，提出了σ参数，表达式如下：(1-14)(1-15)其中，ΔT*表示合金熔点温度变化程度；P′表示原子尺寸变形程度；Dmax表示非晶形成最大厚度。由式(1-14)及(1-15)可知，ΔT*和P′越大，则σ参数的