非晶态物理讲座 第三讲 非晶态金属的结构转变与动力学

在本文中我们将讨论从液态到非晶态(玻璃态)的转变,非晶态金属的结构弛豫、结晶及其动力学. 一、从液态到非晶态的转变 由熔体淬火凝固而形成的玻璃态金属可以认为是一种冻结的液态结构,它的性质和结构与其热历史有关.为了说明液态金属-非晶态金属的转变,图1给出了容易形成玻璃     

Pd-Ni-P大块金属玻璃的形成及其转变动力学

本文报道了Pd-Ni-P合金的过冷实验结果,研究了冷却速度对合金过冷行为的影响。通过将样品包裹在B₂O₃中从而减少样品的表面非均匀生核,使得样品在极低的冷却速度下形成大块金属玻璃。在玻璃转变温度(T_g=590K)处,冷却速度低达1K/s。利用经典的均匀生核与非均匀生核理论,计算了Pd₄₀Ni₄₀P₂₀合金的温度、时间转变曲线(即TTT图)。确定了合金的临界冷却速度。对结果进行了详细的讨论。 关键词：     

钽过冷液体等温晶化的原子层面机制

采用分子动力学模拟研究了钽(Ta)过冷液体的等温晶化过程,并用双体分布函数g(r)和最大标准团簇等方法表征和分析了体系的微结构演化特性.结果表明, Ta过冷液体的晶化过程敏感地依赖于过冷度,临界晶核形成孕育时间随过冷度的增加而减小. 1800 K≤T≤1850 K, Ta过冷液体的晶化遵循Ostwald的分步规则:过冷液体中首先形成大量由Z12和Z14团簇铰链的中程序(即Z-MRO);随后Z-MRO长大并有序化为A15晶体相;最后体心立方(BCC)晶核在A15相内部快速长大成BCC晶体.而在1900 K≤T≤1950 K,过冷液体直接向A15相转变. A15相由最大尺寸的Z-MRO不断兼并周围小尺寸的Z-MRO并有序化形成.     

非晶态合金的辐照损伤

非晶态合金也称之为金属玻璃。采用这个有点矛盾的名称,是因为它们在微观上具有类似于玻璃的无规则排列的原子结构,而在宏观上又具有良好的机械强度和光泽等金属特性。非晶态合金通常是熔融状态的金属或合金通过高冷却速率的淬火而制成。在这一淬火过程中冷却速率大于晶核形成和生长的速度,使它们来不及结晶便凝固,而继续保留了类似液体的结构。     

定向结晶条件下聚乙二醇6000的强动力学效应

在单向温度场条件下, 采用不同抽拉速度实现了聚乙二醇6000的定向生长、界面形貌的实时观测及界面温度的测量, 进而揭示了其生长机制. 实验结果表明, 随着抽拉速度的增大, 界面的温度逐渐减小, 过冷度逐渐增大. 运用高聚物结晶的次级形核理论模型, 对实验数据进行了计算, 得到在界面过冷度为13.5 K左右时, 生长机制发生了由区域Ⅱ向区域Ⅲ的转变. 实验数据与等温结晶数据的比较发现等温结晶方法中获得过冷度相对较大, 是因为其包含了热过冷. 聚乙二醇6000定向结晶过程中需要的最大动力学过冷度为20 K, 说明由于高聚物的二维形核, 其生长主要由界面动力学控制, 具有较强的动力学效应.     

对非晶态合金结构与成分的一点探讨

在通常的工艺条件下(冷却速度约 106℃/s),人们已从实验上制备出若干非晶态合金系列,并对形成非晶态合金成分范围作了分类[1]:对过渡金属与类金属,溶质原子成分在15-25 at %较容易形成非晶态合金;对金属与金属,溶质原子成分在25—50at%亦较容易形成非晶态合金;但溶质原子成分低于 15at% 或高于50at%,形成非晶态合金较难. 本工作是在Polk和 Bennett[2,3] 等人工作的基础上,提出一种新的结构模型──菱面体单元模型,认为非晶态的结构是以菱面体单元无规堆积而成的结构.本文由菱面体单元模型计算出的合金成分与实验获得的合金成分相吻合,并解…     

非晶金属的形成及稳定性

一、非晶金属的形成 熔融金属快速冷却时如果避开结晶成核的高峰,就有可能成为非晶固体.我们先来研究结晶成核率与哪些因素有关.根据均匀成核理论,临界成核功A为a为形状因子,如晶核为球形,它是16π/3;σ是表面张力系数;△Fv是结晶时单位体积中体积目由能变化.它等于其中△Hf是摩尔熔化热;V是摩尔体积;Tm是平衡熔点;(Tm-T)是过冷度. 热激活提供这个临界成核功,故成核率其中 C是动力学常数,η是粘滞系数.公式(3)也可写作其中伏伽德罗常数;△Sf是熵的变化;Tr=T/Tm;△Tr=1-Tr.可见γ,β和η越大,成核率越小,快速冷却时越容易形成非晶态.对…     

不透明玻璃显现出的曙光--块体金属玻璃的发现与应用

在足够高的冷却速度下,如同其他大多数物质一样,金属合金熔体在冷却到室温的过程中能够经过玻璃化转变过程变成非晶态固体--金属玻璃.金属玻璃因其具有许多优异和独特的物理、化学和力学性能而一直受到很大的关注.在过去,由于玻璃形成能力的限制,金属合金只能制成厚度为数十微米的薄带状金属玻璃,因而其应用范围受到极大的限制.通过对金属合金的组成、熔体的过冷与稳定性及玻璃形成能力的关系研究,人们用常规的方法在较低的冷却速度下就能在许多金属合金体系中形成三维尺度都达毫米至数厘米的块体金属玻璃,这为金属玻璃获得广泛的应用奠定了基础.     

过冷液体钾形核初期微观动力学机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在α-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.     

关于非晶态合金的结构相变问题

近年来对非晶态合金的研究,无论从基础研究的角度,还是从应用的角度发展都很迅速.非晶态合金的力学、半导体、磁学、超导性、声学、抗腐蚀和抗辐射等性能都很优异,而且常常综合了几方面的优点,是很有希望的新材料. 制备非晶态材料,无论是以原子团形式的淀积(蒸发、溅射或电镀等),还是从液态的固化,很高的冷却速率都是重要条件之一.图1是过冷液态中晶体成核、生长速率的温度关系.山图可见,当液态金属冷却到熔点Tm以下时,首先出现生长速率的极大值,但这时的成核率还很小,当然谈不上生长;而当温度下降到成核率极大时,由于材料的粘度已相当大,…     

非晶中结构遗传性及描述

非晶态物质广泛存在于人们的日常生活和工业生产活动中,但人们对其原子结构及其结构与性能关系的认识还远不如对晶体材料那样充分.非晶态物质的原子结构不具备空间平移对称性,这使得传统针对晶体材料的实验技术和手段无法直接有效地应用到非晶态物质的结构分析中.用常规的衍射实验数据分析方法并不能直接地观察到非晶态物质的本征结构特征,但这些实验衍射数据往往隐含有极其重要的微观结构信息.本文简要综述了这些衍射数据背后所隐含的与金属玻璃中程序相关的结构信息.研究发现,非晶态物质中的一类隐含序与晶体结构中的球周期序紧密相关,意味着非晶态物质与晶体材料之间在原子结构上存在着非凡的同源性.进一步的研究结果还表明,不同隐含拓扑序之间纠缠的强弱与体系本身的玻璃形成能力存在明显的对应关系,这为衡量金属合金玻璃形成能力强弱的经验规律——混乱原理提供了微观结构上的理解,同时为进一步深入认识和理解非晶态材料衍射数据所隐含的微观结构信息提供了新的分析思路和方法.     

非晶态金属的结构模型

非晶态金属与合金具有许多有别于晶体的优异性能和效应.非晶态合金的性能,它的形成条件、稳定性以及结构相变等无不涉及它的微观结构.因此非晶态结构的研究是非晶态物理中的重要课题,在晶态固体的研究中,通常用X光、电子、中子衍射分析来获得原子排列的知识,这些都是基于晶体的结构的周期性.非晶态固体中的原子排列没有这种规则的周期性,因而通常的结构分析方法不易确定原子的组态.衍射分析所提供的只是原子的平均环境的知识,这种平均环境可以用所谓径向分布函数[RDF(r)]来描述.由实验得到的RDF(r)反映了非晶态固体的原子排列具有某种短…     

介绍新书《物质结构──从蓝天到塑料》

《物质结构─—从蓝天到塑料》是一本浅近易懂的材料科学普及书籍.作者─—[法]A·纪尼叶(A.Guinier)是国际著名的X射线晶体学专家.此书中译本已由科学出版社出版. 《物质结构》全书共分十章:一、结构模型的基本组成;二、物质的两种状态;三、理想气体;四、晶体;五、真实晶体的结构;六、从晶体到结晶固体;七、纯液体、混合液体、溶液;八、非晶态固体;九、有序与无序之间;十、复合材料、悬浮液和胶体溶液. 本书前三章具有引论的性质,逐步引入了无序态、有序态,并以理想气体为例,说明了无序的典型性质,用它来说明一个好模型的价值.接下来的第…     

非晶态物理讲座 第一讲 非晶态材料的结构

1960年 Pcl Duwez等用喷枪法获得非晶态Au-Si合金以来,金属玻璃的研究取得了显著的成绩.近几年来,非晶硅太阳能电池等方面取得的进展,引起了许多科学工作者对非晶态材料注意.本来自然界中就存在天然的非晶态材料,如火山熔岩冷却中形成的某些玻璃态物质.人类制造和使用氧化物玻璃已有悠久的历史.约四十年前,人们用真空蒸发、溅射、电解等方法也得到过某些金属的非晶态薄膜.塑料等材料问世后更大大增加了人们使用的非晶态材料的品种.可是从科学发展的过程看,以前人们对固态材料的研究主要集中在晶体,从理想晶体开始逐渐发展到对各种晶体缺陷…     

不透明玻璃显现出的曙光——块体金属玻璃的发现与应用

在足够高的冷却速度下，如同其他大多数物质一样，金属合金溶体在冷冷却到室温的过程中能够经过玻璃化转变过程变成非晶态固体——金属玻璃。金属玻璃因其具有许多优异和独特的物理、化学和力学性能而一直受到很大的关注。在过去，由于玻璃形成能力的限制，金属合金只能制成厚度为数十数米的薄带状金属玻璃，因而其应用范围受到极大的限制。通过对金属合金的组成、溶体的过冷与稳定性及玻璃形成能力的关系研究，人们用常规的方法在较低的冷却速度下就能在许多金属合金体系中形成三给尺度都达毫米至数厘米的块体金属玻璃，这为金属玻璃获得广泛的应用奠定了基础。     

液态五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的微观结构演变与非晶形成机制

利用电磁悬浮无容器处理技术实现了液态五元Zr₅₇Cu₂₀Al₁₀Ni₈Ti₅合金的深过冷与快速凝固,同时通过分子动力学模拟计算揭示了非晶形成的微观机制.实验发现,凝固组织具有明显的核-壳结构特征,核区为非晶相,壳区主要由ZrCu, Zr₂Cu和Zr₈Cu₅晶体相组成.非晶体积分数随合金过冷度的升高逐渐增大,当达到实验最大过冷度300 K (0.26T_L)时,非晶体积分数增至81.3%.由此导出完全非晶凝固所需临界过冷度为334 K. TEM分析显示,过冷度增大并接近临界过冷度时,合金凝固组织中晶体相主要为Zr₈Cu₅相,而ZrCu和Zr₂Cu相的生长被抑制.在达到临界过冷度后,过冷液相的凝固路径由Zr₈Cu₅结晶生长转变为非晶凝固.此外,合金的晶体壳中存在少量的晶间非晶相,而非晶核中...     

冷速对液态金属Ga凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Ga凝固过程中不同冷却速率对微观结构演变的影响进行了模拟跟踪研究. 运用HA键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了金属原子Ga的成键类型和形成的基本原子团结构. 结果发现，冷却速率对凝固过程中的微观结构起着非常重要的作用. 在以1.0×10¹⁴，1.0×10¹³，1.0×10¹²K/s的速率冷却时，系统形成以与1311，1301键型相关的菱面体结构为主，夹杂着立方体、六角密集等其他团簇结构所构成的非晶态结构；在以1.0×10¹¹K/s的速率冷却时，系统明显发生结晶，其结晶转变温度T_c约为198K，且冷却速率越慢，结晶转变温度T_c越高，形成以与1421键型相关的斜方晶体(经可视化分析确认)为主要构型的晶态结构. 这将为研究液态金属的结晶转变过程提供一种新方法. 关键词： 液态金属Ga 凝固过程 微结构转变 分子动力学模拟     

落管中Pd_(77.5)Au_6Si_(16.5)合金的固化动力学亚稳相的形成

研究了落管中Pd_(77.5)Au_6Si_(16.5)合金的过冷、生核及亚稳相的形成。在小于400μm的金属小球中发现Pd的固溶体相;在较大的金属小球中则观察到Pd_3Si金属间化合物相。本文还在经典生核理论的基础上,计算了不同相的固液自由能差、成核功、生核速率及晶体生长速度随温度的变化关系,并由此得到时间-温度-转变曲线(t-T-t),计算与实验结果较为一致。     

冷却速率对液态金属Cu凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用Quantum Sutton-Chen(Q-SC)多体势对液态金属Cu在四个不同冷却速率下的凝固过程进行了分子动力学模拟研究. 通过双体分布函数、键型指数、配位数、均方位移及可视化分析, 结果表明：冷却速率对液态金属Cu的微观结构演变有决定性影响. 当冷却速率为1.0×10¹⁴K/s时得到非晶态结构；当冷速分别为1.0×10¹³K/s，1.0×10¹²K/s和1.3×10¹¹K/s时，系统形成以1421键型为主体的面心立方(fcc)与六角密集(hcp)共存的混合晶体结构；且其结晶温度分别为373K，773K和873K，即冷速越慢，其结晶温度越高，结晶程度也越高；且冷速越慢，1421键型越多，混合晶体中面心立方(fcc)结构所占的比例越高. 同时发现，原子的平均配位数的变化与1551，1441，1661键型的变化密切相关, 反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关. 在可视化分析中，进一步采用中心原子法展现出非晶态与晶体结构的2D截面，及在3D下混合晶体中两个基本原子团分别为面心立方(fcc)与六角密集(hcp)基本原子团的具体结构. 关键词： Q-SC多体势 液态金属Cu 凝固过程 分子动力学模拟     

非晶态磁性材料的优异特性

非晶态磁性材料(磁性玻璃),这个名词人们还是生疏的.因为人们经常使用的磁性材料虽然种类很多,可是微观结构都属于结晶态.其原子排列长程有序,具有一定的晶格结构及相应的对称性. 然而,能否将材料制备成原子“混乱”排列、不具有长程有序的结构呢?随着研究工作的深入,近年来“玻璃半导体”,“玻璃超导体”,“金属玻璃”等纷纷出现,磁性玻璃也是其中之一,这些材料都以优异的特性而具有魅力. 例如,含铬的非晶态金属材料,具有非凡的抗腐蚀能力.图1即为非晶态Fe70Cr10P13C7,合金与不锈钢置于同样的腐蚀条件下,腐蚀速度的对比. 非晶态合金还具…