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铝基非晶合金的结构与非晶形成能力

金属学报 2022年第4期58卷 457-472页

作者：李金富李伟上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与材料改性重点实验室上海200240

铝基非晶合金具有优异的力学性能与良好的耐蚀性,但是其较差的非晶形成能力使得大尺寸样品不易获得,工程应用也由此受到很大限制。鉴于合金的非晶形成能力与其结构密切相关,本文简要回顾铝基非晶合金发展历程,在全面了解其组元构成的基... 详细信息

铝基非晶合金具有优异的力学性能与良好的耐蚀性,但是其较差的非晶形成能力使得大尺寸样品不易获得,工程应用也由此受到很大限制。鉴于合金的非晶形成能力与其结构密切相关,本文简要回顾铝基非晶合金发展历程,在全面了解其组元构成的基础上,重点阐述了铝基非晶合金的微观结构,以及由此衍生出的合金成分设计理论、非晶形成能力与成分的关系、晶化过程中初生相的选择等问题。最后对铝基非晶合金未来的研究方向进行了展望。

关键词：铝基非晶合金微观结构非晶形成能力晶化行为

类金属元素影响Co-Y-B合金非晶形成能力和磁性能的机制分析

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物理学报 2022年第22期71卷 327-337页

作者：马爽郝玮晔王旭东张伟姚曼大连理工大学材料科学与工程学院大连116024

本文采用第一性原理分子动力学(ab initio molecular dynamics,AIMD)方法模拟了Co_(72)Y_(3)B_(15)M_(10)(M=B,C,Si,P)合金形成非晶的过程,探究添加类金属元素C,Si,P对Co基Co-Y-B合金非晶形成能力(glass-forming ability,GFA)和磁性能的影响,着重从原子层面分析了局域原子结构与性能的关联.计算的局域原子结构表征参数有对分布函数、配位数、化学短程序、Voronoi多面体指数、局域五次对称性和均方位移.结果表明,4种合金不同的局域原子结构特征造成其GFA的差异.Co_(72)Y_(3)B_(15)M_(10)和Co_(72)Y_(3)B_(15)P_(10)合金中棱柱结构的含量较高,B/C-C和B/P-P原子间的溶质分离性较弱,过冷态时(1100 K)原子扩散能力较强,不利于提高合金的GFA.Co_(72)Y_(3)B_(15)Si_(10)合金中畸变二十面体结构的含量较高,Co-Si原子间吸引力较强,B/Si-Si原子间具有较好的分离性,过冷态时原子的扩散能力较低,有利于提高合金的GFA.因此,添加Si元素有助于提高合金的GFA,而C和P元素的添加会降低GFA,且C元素对GFA的削弱作用更为明显.4种合金的GFA按Co_(72)Y_(3)B_(15)Si_(10)>Co_(72)Y_(3)B_(25)>Co_(72)Y_(3)B_(15)P_(10)>Co_(72)Y_(3)B_(15)M_(10)的顺序依次降低.添加C,Si,P元素使体系的总磁矩均有所下降,按照Co_(72)Y_(3)B_(25)>Co_(72)Y_(3)B_(15)Si_(10)>Co_(72)Y_(3)B_(15)M_(10)>Co_(72)Y_(3)B_(15)P_(10)的顺序依次递减.Co-Si原子间较强的p-d轨道杂化作用增强了磁交换耦合作用,导致添加Si元素对总磁矩的削弱作用较小.

关键词： Co基非晶合金第一性原理分子动力学模拟非晶形成能力磁性能

碳添加以及退火处理对Fe_(84)Si_(2)P_(3)B_(10.5-x)C_(x)Cu_(0.5)(x=0、0.5、1、1.5、2、2.5)非晶合金非晶形成能力和软磁性能的影响

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功能材料 2022年第9期53卷 9226-9230页

作者：万媛张聪唐一川梁晓晗黄靖骞唐成颖桂林电子科技大学材料科学与工程学院广西桂林541004

在不损坏软磁特性的前提下增强非晶形态形成能力,并研究生产新型Fe_(84)Si_(2)P_(3)B_(10.5-x)C_(x)Cu_(0.5)(x=0、0.5、1、1.5、2、2.5)软磁合金。研究Fe_(84)Si_(2)P_(3)B_(10.5-x)C_(x)Cu_(0.5)软磁合金的热稳定性以及磁性能,结果分析显示,随着C含量的增加,合金的非晶态形成能力逐渐增强,饱和磁感应强度(Bs)明显提升,软磁特性也有了明显提高。在x=1.5时,Fe_(84)Si_(2)P_(3)B_(10.5-x)C_(x)Cu_(0.5)性能最佳,Bs为1.75T,矫顽力为2.1A/m。在653K温度下等温退火300s后,随着α-Fe相的析出,整个合金体系的Bs增加,从1.48T-1.75T增加到1.64T-1.83T。在773K等温退火300S后,Bs从1.48T~1.75T增加到1.67T~1.80T。晶化处理后,Fe-(B,P)硬磁相析出,Hc也有所升高。

关键词：铁基非晶合金热处理工艺非晶形成能力高饱和磁感应强度矫顽力

生物医用Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力及分子动力学研究

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生物医用Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力及分子动力学研究

作者：尚进西安工业大学

学位级别：硕士

Mg-Zn-Ca非晶具有与人骨相近的密度和弹性模量,以及良好的生物相容性和可降解性,是一类非常有应用前景的生物可降解医用材料。Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力与其合金成分密切相关,然而现阶段关于Mg-Zn-Ca系合金非晶形成能力的研究主要依... 详细信息

Mg-Zn-Ca非晶具有与人骨相近的密度和弹性模量,以及良好的生物相容性和可降解性,是一类非常有应用前景的生物可降解医用材料。Mg-Zn-Ca合金的非晶形成能力与其合金成分密切相关,然而现阶段关于Mg-Zn-Ca系合金非晶形成能力的研究主要依赖于实验试错,耗时耗力,且未能解决影响非晶形成能力的本质原因。本文基于分子动力学(MD),计算了MgZnCa合金的对分布函数(PDF)、液相脆性指数m、二十面体团簇类型、配位数及其占比,利用液相脆性指数m预测了MgZnCa合金的非晶形成能力,并通过实验进行验证液相脆性指数m对非晶形成能力预测的准确性。从二十面体团簇形态、表面积和网络连通性等方面解析了影响非晶形成能力的结构因素,提出了二十面体团簇的结构参量Φ用以从结构角度评价MgZnCa的非晶形成能力。在此基础上,在MgZnCa(x=5,10,15,20,25 at%)合金系计算了液相脆性指数、结构参量Φ,评估了该体系的非晶形成能力大小,最后通过实验评价非晶形成能力参数的有效性和正确性。主要结论如下:(1)液相脆性指数m越小,非晶形成能力越大。热力学参量γ值越大,非晶形成能力越强。分子动力学计算结果表明,在MgZnCa合金系中,m指数由小到大的顺序为MgZnCa非晶形成能力大小一致,m值能够有效的评判合金的非晶形成能力。正二十面体团簇及其形成的中程有序结构是影响非晶形成能力最大的结构因素,非晶形成能力随正二十面体团簇含量增加而增大。但MgZnCa,MgZnCa以及MgZnCa三个合金正二十面体团簇的占比接近,很难用正二十面体团簇占比区分非晶形成能力。在剖析二十面体团簇形成的中程有序结构的形态、表面积和连通性与非晶形成能力之间的关系,建立了评价非晶形成能力的结构参量:Φ=(?)·A/β(β为比例系数,此处取10000;(?)表示IMRO每个团簇中心原子形成IMRO的平均填充原子数;团簇的表面积A),能够很好的解析该合金体系的非晶形成能力。Φ值越大,非晶形成能力越好。(2)通过分子动力学计算,获取了MgZnCa(x=5,10,15,20,25 at%)合金系的PDF、团簇类型及占比、元素配位数、液相脆性指数m,并在此基础上计算了合金的结构参量Φ,并预测了该体系合金的非晶形成能力。结果表明Φ由小到大依次为:MgZnCaMgZnCa>MgZnCa>MgZnCa>MgZnCa,即合金的非晶形成能力随Mg含量的降低而增大。热力学参量γ随合金成分变化趋势与Φ相同,即合金的非晶形成能力随着Zn含量的增加而增大。这是因为Zn原子含量对中程有序结构的平均填充原子数和团簇面积影响更大,以Zn原子为中心的二十面体团簇能够形成连通性更大中程有序结构,从而改善非晶形成能力。

关键词：分子动力学模拟 Mg-Zn-Ca三元合金非晶形成能力中程有序结构

Er对ZrCuNiAl非晶合金结构、力学性能、热稳定性及非晶形成能力的影响

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材料工程 2018年第1期46卷 1-7页

作者：李春燕尹金锋王铮寇生中赵燕春兰州理工大学材料科学与工程学院兰州730050 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室兰州730050 中国重汽集团济南卡车股份有限公司济南250000

以(Zr_(0.6336)Cu_(0.1452)Ni_(0.1012)Al_(0.12))_(100-x)Er_x(x=0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,原子分数,下同)系块体非晶合金为研究对象,通过改变微量元素Er的含量来研究Er对非晶合金的结构、力学性能、热稳定性及非晶形成能力的影响。结果表明:添加Er元素所制备出的试样都是完全非晶结构的合金。随着Er含量的增加,各试样的弹性模量呈现出先增大后减小,压缩塑性应变呈台阶式上升,x=0,x=0.5,x=1试样的塑性应变在4%的范围内波动;x=1.5,x=2,x=2.5试样的塑性应变在11%的范围内波动;x=3试样的塑性应变最高,其值为23.19%,弹性模量为37.76GPa,屈服强度为1604MPa,抗压强度为2068MPa,断裂强度为2060MPa;随着Er含量的增加,锆基非晶合金的热稳定性和非晶形成能力均先减小后增大。

关键词：块体非晶合金非晶形成能力力学性能热稳定性

Al-Ni-Zr合金的非晶形成能力及晶化过程中微观结构演变与性能分析

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Al-Ni-Zr合金的非晶形成能力及晶化过程中微观结构演变与性能分析

作者：张硕山东大学

学位级别：硕士

铝基非晶合金因其轻质、高强、高耐蚀等优点,在航天、航海、汽车等领域具有巨大的应用前景。但由于非晶形成能力对元素含量非常敏感且热稳定性较差的缘故,制备出的铝基非晶临界尺寸一直没有较大的突破,限制了其大规模的应用,所以目前铝... 详细信息

铝基非晶合金因其轻质、高强、高耐蚀等优点,在航天、航海、汽车等领域具有巨大的应用前景。但由于非晶形成能力对元素含量非常敏感且热稳定性较差的缘故,制备出的铝基非晶临界尺寸一直没有较大的突破,限制了其大规模的应用,所以目前铝基非晶研究和发展的关键是探索具有高非晶形成能力及优异性能的合金体系。本文以Al-Ni-Zr三元合金体系为基础,首先通过第一性原理分子动力学模拟研究了不同Zr含量的铝基合金在液态和非晶态下的原子结构,从原子层面分析了不同合金非晶形成能力存在差异的原因;随后通过熔炼旋淬方法制备了铝基非晶条带,验证了模拟结果的准确性,重点分析了元素含量、微观结构和性能三者之间的关联性;最后对高非晶形成能力和高性能的条带进行不同温度的热处理,分析了非晶条带的热稳定性和晶化过程中结构演变对性能的影响。选取不同Zr含量的Al86Ni(14-x)Zrx(x=2,4,6)合金为研究对象,进行第一性原理分子动力学模拟。计算结果表明:相对于液态结构的径向分布函数,非晶态的总径向分布函数曲线的主峰都变的高而尖,且在曲线第一峰的左侧都出现了肩峰,表明非晶态下原子之间的相互作用更强,原子的短程有序程度更高。从Voronoi多面体可以看出,团簇的类型发生了很大的变化。另外,Al86Ni10Zr4合金无论是液态还是非晶态结构,Al-Al原子对的化学短程序参数都接近于0,排列更趋于无序性,表明其非晶形成能力更高。Voronoi多面体分析表明,以各原子为中心的团簇类型有很大差异,A186Ni(14-x)Zrx(x=2,4,6)合金中正二十面体的含量都很低,而在Zr含量为4 at.%时,非晶态合金中的类二十面体团簇的含量最多,意味着合金的结晶阻力更大,从而非晶形成能力也就更高。采用熔炼旋淬法制备了不同Zr含量的A186Ni(14-x)Zrx(x=1～7)非晶条带,通过XRD、TEM和DSC分析了不同成分条带的物相结构和热稳定性,总结了 Zr含量的变化对Al-Ni-Zr合金体系非晶形成能力的变化规律,验证了模拟结果的可靠性。原子半径较大的Zr元素的添加促使DSC主放热峰向高温移动,因此可提高Al-Ni-Zr体系的热稳定性。在Zr含量为4 at.%时,DSC曲线放热峰面积最大,具有最高的非晶形成能力。对不同Zr含量的非晶条带进行电化学测试的结果表明:所有条带在3.5 wt.%的NaCl溶液中形成了钝化区间,具有良好的耐蚀性。其中在Zr含量为5 at.%时,条带含少量纳米析出相,其腐蚀倾向较小且腐蚀速率最低,具有最好的耐蚀性能,这主要是合金的微观结构和钝化元素共同作用的结果。通过观察分析腐蚀形貌,发现Al-Ni-Zr条带的腐蚀主要是由于溶液中溶解氧以及活性阴离子(如Cl-)等的存在造成的,在内应力的作用下通过裂纹扩展产生了主要由铝和镍的氧化物组成的腐蚀产物。另外,基体上析出的大量纳米级的α-Al和Al3Zr相对合金有硬化作用,Al86Ni7Zr7合金的硬度达到了 288 HV。根据A186Ni10Zr4条带的DSC曲线放热峰的位置,选定在不同温度下进行退火处理,研究了激冷获得的A186Ni10Zr4非晶条带的热稳定性和组织及性能演变。结果表明Al86Ni10Zr4非晶合金具有良好的热稳定性,其晶化过程表现为多阶段晶化。在523 K低温退火热处理后可获得纳米晶α-Al相及非晶的混合结构,这时候合金不仅硬度提高,耐蚀性也得到了提高。XPS分析的结果证实了 Al86Ni10Zr4非晶的耐蚀性不仅与无序的非晶结构有关,更与合金元素是否能促进表面形成完整的钝化膜有很大关系。

关键词：铝基非晶合金分子动力学模拟非晶形成能力晶化行为耐腐蚀性能

Ti-Cu-Ni-Si体系相图及其非晶形成能力研究

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Ti-Cu-Ni-Si体系相图及其非晶形成能力研究

作者：邵冠杰燕山大学

学位级别：硕士

Ti基非晶合金因其优异的力学性能和良好的生物相容性等特点,有望作为新一代的结构和功能材料。然而,目前非晶形成能力较强的体系普遍含有Be、Pd等元素,限制了其应用范围。因此,开发无毒无害、成本低廉的Ti基块体非晶具有重要的科学意义... 详细信息

Ti基非晶合金因其优异的力学性能和良好的生物相容性等特点,有望作为新一代的结构和功能材料。然而,目前非晶形成能力较强的体系普遍含有Be、Pd等元素,限制了其应用范围。因此,开发无毒无害、成本低廉的Ti基块体非晶具有重要的科学意义。Ti-Cu-Ni的成分优异性使其成为了Ti基非晶形成基础体系的最佳选择。本文以Ti-Cu-Ni三元系作为基础体系,向其中添加小原子尺寸的Si,基于CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技术,将深共晶准则和驱动力准则相结合,对Ti-Cu-Ni-Si体系进行了相图热力学以及非晶形成能力的研究。根据第一性原理计算值和评估的实验数据,采用CALPHAD技术优化了Cu-Ni-Si和Ti-Cu-Si三元体系的热力学参数,结合报道的Ti-Cu-Ni和Ti-Ni-Si三元系的热力学参数,外推建立了Ti-Cu-Ni-Si四元体系的热力学描述。该结果为面向计算辅助设计的Ti合金热力学数据库提供了基础。采用掺杂法研究了(TiCuNi)Si(x=0,0.5,1,2,4)合金的非晶形成能力。发现Si的添加提高了体系热稳定性,0.5 at.%的Si对非晶形成能力增强作用最佳,采用甩带法成功制备出厚度～170μm的非晶薄带。在Ti-Cu-Ni-Si热力学数据库基础上,基于深共晶准则对该体系深共晶成分的非晶形成能力进行了研究。证实了该四元系非晶形成能力对深共晶反应的可依赖性,其中TiCuNiSi合金具有较好的非晶形成能力,薄带临界厚度～150μm。计算了体系的晶体相初始析出驱动力,基于驱动力准则设计了16个Ti-Cu-Ni-Si四元合金成分,确定了体系内非晶形成能力较好的点位于富Ti-Cu区域,发现TiCuNiSi表现出相对较好的非晶形成能力,所制得薄带厚度～90μm。认为该体系驱动力准则预测与实验结果的不一致主要由TiSi促使B2相非均匀形核引起。

关键词： Ti基非晶合金相图计算热力学优化非晶形成能力成分设计

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具有反常非晶形成能力的U-Cr二元合金

金属学报 2017年第2期53卷 233-238页

作者：黄火根徐宏扬张鹏国王英敏柯海波张培刘天伟中国工程物理研究院材料研究所江油621907 大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室大连116024

基于共晶法则在U-Cr体系中深共晶点U_(81)Cr_(19)靠Cr一侧设计系列二元合金。在甩带条件下,合金形成单一的非晶相,其初始晶化温度Tx接近700 K,约化晶化温度Trx接近0.6。U-Cr体系的强非晶形成能力不符合在热力学、动力学和结构密堆角度... 详细信息

基于共晶法则在U-Cr体系中深共晶点U_(81)Cr_(19)靠Cr一侧设计系列二元合金。在甩带条件下,合金形成单一的非晶相,其初始晶化温度Tx接近700 K,约化晶化温度Trx接近0.6。U-Cr体系的强非晶形成能力不符合在热力学、动力学和结构密堆角度上的预测,显示出一定的反常性,为进一步认识锕系非晶提供了潜在的基础模型体系。

关键词：非晶合金铀合金非晶形成能力快速凝固

剪切作用对过冷液体结构及非晶形成能力的影响

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剪切作用对过冷液体结构及非晶形成能力的影响

作者：翟继婷华南理工大学

学位级别：硕士

过冷液体是指液体在结晶的温度下仍然保持液态的物质。过冷液体具有不稳定性,在特定的温度下保温会发生结晶转变。当在较快的冷却速率下凝固时,过冷液体的结构可以保持到玻璃化转变温度以下,转变为非晶合金。因此,非晶形成能力与过冷液... 详细信息

过冷液体是指液体在结晶的温度下仍然保持液态的物质。过冷液体具有不稳定性,在特定的温度下保温会发生结晶转变。当在较快的冷却速率下凝固时,过冷液体的结构可以保持到玻璃化转变温度以下,转变为非晶合金。因此,非晶形成能力与过冷液体的结构及动力学密切相关。但是,目前关于过冷液体的结构与非晶形成能力的关联研究主要集中在准静态条件下,且传统观点认为剪切行为对快动力学原子系统的非晶形成能力的影响可以忽略不计。压铸工艺是将熔融的金属液体快速压射入模具型腔内,并在高压下凝固获得金属构件的一种工艺,具有充型速率快、凝固压力高等特点。近年来,该工艺已经广泛应用于复杂非晶合金结构件的成型及工业应用,受到广泛的关注。但是,包括非晶合金的压铸成型等在内众多实验结果表明,在外界扰动下凝固,通过过冷液体冻结制备的非晶合金的形成能力显著降低,其物理起源目前还尚不明确。针对这一问题,本文以Ta和Zr过冷液体为研究对象,采用大规模分子动力学模拟的方法,系统研究了不同过冷度下的过冷液体在准静态和剪切作用下的晶化行为,使用双体分布函数、最大标准团簇法和键对取向结构序描述了过冷液体的形核和长大过程,通过统计平均多个等温构型的形核时间,获得了不同体系及不同外加载荷条件下的TTT曲线,建立了外加载荷—过冷液体结构—动力学—非晶形成能力的关联机制,并基于实验,揭示了非晶合金压铸成型过程中剪切诱导深过冷液体加速晶化的潜在机理。具体研究内容及获得的主要结论如下:（1）使用键对取向结构序等方法,系统研究了金属Ta、Zr过冷液体等温晶化产物结构及晶化动力学。研究结果显示,Ta过冷液体等温晶化时产生了两种完全不同的晶体结构,分别为BCC-Ta和准晶近似体结构（QCMP-Ta）。QCMP-Ta晶体结构比较复杂,是由Z12、Z14和Z15团簇组成的拓扑结构,金属Zr晶化相主要为BCC-Zr。发现当截断距离为7.7?时,使用q能够很好的将体系中的固体和液体原子进行区分,采用键对取向结构序,可以实现QCMP-Ta结构的晶化过程表征。该方法可以减少传统的最大标准团簇法表征QCMP-Ta时存在的离散团簇统计误差,实现QCMP-Ta的形核长大过程的定量分析,为研究准静态和剪切作用下过冷液体的晶化过程奠定了基础。（2）系统研究了不同过冷度下Ta和Zr过冷液体在准静态下的等温晶化过程,通过键对取向结构序计算了晶化动力学曲线,建立了TTT曲线,分析了两者非晶形能力差异的起源。研究结果发现,对于单质Ta过冷液体,BCC-Ta晶化产物形核之前体系中会首先形成QCMP-Ta前驱体,然后BCC-Ta快速长大,发生QCMP-Ta→BCC-Ta转变,直至QCMP-Ta迅速消失,晶化路径为:过冷液体→QCMP-Ta→BCC-Ta。而QCMP-Ta可以直接通过Z12、Z14和Z15等高五次对称性的团簇连结形成。同时,研究还发现,在浅过冷度下,Ta的过冷液体更易于形成QCMP-Ta,在深过冷条件下有利于形成BCC-Ta。Zr晶化路径为简单的过冷液体→BCC-Zr。基于经典形核理论（CNT）并通过计算结晶驱动力和过冷液体动力学,发现Ta单质具有比Zr单质更高的非晶形成能力的原因是Ta过冷液体的动力学较慢,原子形核需要的时间更长。（3）系统研究不同压铸压射速率下制备的非晶合金结构演变规律。研究结果显示,铸件远端区域的晶化率远高于近端区域。压射速率不直接导致加深晶化,晶化速率主要取决于过冷液体与模具壁实际碰撞速率或者剪切率。进一步采用分子动力学模拟方法,系统研究Ta过冷液体在不同过冷度及不同剪切率下的晶化动力学过程,构造了不同剪切率下的TTT曲线。通过与准静态条件下的数值比对,揭示了剪切行为对过冷液体的形核长大过程的影响规律。研究表明,非晶合金压铸成型过程中,剪切加速晶化的可能机制是在深过冷下剪切作用加速了原子扩散,缩短晶体形核的孕育时间。本研究有助于加深对非晶合金的非晶形成能力的物理起源的理解,对非晶合金压铸工艺的制定具有一定的指导意义。

关键词：分子动力学模拟过冷液体非晶形成能力非晶晶化