论非晶的形成、参数及设计方法综述

[论文关键词]非晶 形成能力 参数 设计方法
　　
　　[论文摘要]不同的非晶合金体系其非晶形成能力有所不同，衡量非晶合金的形成能力的参数：过冷液相区、约化玻璃转变温度、电子浓度、原子尺寸。在描述合金非晶形成能力的各种参数中，过冷液相区的范围ΔTx和约化玻璃转变温度Trg是两个最重要最常用的参数，然而在实际应用过程中，仅用这两个参数并不能完全解释所得到的一些实验现象。于是，用来表征合金非晶形成能力的各种参数被相继提出。

　　一、引言
　　1989年，Inoue等人首次发现Mg-Cu-Y，La-Al-TM(TM=Ni，Cu，Fe)合金系列存在明显的过冷液相区，并采用低压铸造将其制备成非晶棒和非晶板。随后，Inoue等人又发现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等首次报道了Zr-Ti-Ni-Cu-Be大块非晶，此后其最大尺寸已达30 mm以上。而Pd-Ni-Cu-P非晶合金的报道尺寸为72 mm。这说明不同的合金系非晶形成能力是不同的，这就需要提出一些参数来衡量不同合金系非晶形成能力的大小。目前，用来表征合金非晶形成能力的参数有过冷液相区温度ΔTx、约化玻璃转变温度Trg、临界冷却速度Rc、试样的最大尺寸Zmax和表征合金玻璃形成能力参数Л(εd·εe·d·Smix·Tm/Hm记作Л)，但是这些参数都需要预先制备出非晶样品，当然还有一些从合金物理结构上考虑的参数，也包含了一些需要试验测定的参数。
　　
　　二、非晶合金的形成
　　影响玻璃形成能力(GFA)的因素有:合金中原子的键合特征、电子结构、原子尺寸的相对大小、各组元的相对含量、合金的热力学性质以及相应的晶态结构等。一般说来，如果某种物质对应的晶体结构很复杂，原子之间的键合较强，并且有特定的指向，其形成玻璃结构在动力学上要容易一些。Inoue总结了三条实验规律:(1)合金由三种以上组元组成。(2)各组元原子尺寸差别较大，一般大于10%。(3)三个组元具有负的混合热。从液晶到形成非晶态，原子结构几乎不发生变化。各组成元素之间一般具有大于10%的原子尺寸差异和负的混合热。这样能够形成紧密随机堆垛结构，因此能够增大固液界面能，抑制结晶形核，也增大了长程范围内原子的重排困难性，抑制了晶体的生长。目前还没有关于非晶形成的完整理论来进行合金成分设计和预测非晶形成能力，主要靠实验一步一步地研究和探索。附表给出了可能形成大体积非晶合金的元素组合。
　　
　　三、表征非晶形成能力的参数
　　理论上，只要温度足够高，冷却速度足够快，使得原子来不及扩散，几乎所有的合金都能制备成非晶态合金。但是，事实上并不是所有的非晶只要满足该条件就能制备出来。有些非晶合金需要在缓冷的条件下制得。
　　（一）过冷液相区△Tx
　　过冷液相区△Tx=Tx－Tg，Tx为晶化温度，Tg为玻璃转变温度。△Tx表示当非晶合金被加热到高于玻璃转变温度Tg温度时，其反玻璃化的趋势，这是检验非晶合金热稳定性的重要指标。Inoue认为大的△Tx意味着过冷液相区存在较宽的抑制结晶温度区，这就导致合金具有大的玻璃形成能力。发现△Tx越大，热稳定性越好，越易形成非晶合金。但是这不代表所有的情况，有些具有较大非晶形成能力的合金却具有小的△Tx值。甚至发现非晶的形成能力与△Tx之间不存在必然的联系。因此，△Tx并不能广泛地表征非晶形成能力。
　　（二）约化玻璃转变温度Trg
　　Turnbull提出的约化玻璃转变温度Trg=Tg/Tm，Lu等人在约化玻璃转变温度Trg=Tg/Tm的基础上提出了另外一种约化玻璃转变温度的表示形式，即Trg=Tg/Tl，其中Tg为玻璃转变温度，Tm为熔化温度，Tl为熔化结束温度（即液相线温度）。实验证明Trg值可以很好的表征非晶的形成能力，随着Trg值不断增大，非晶形成能力也增高。对于理想的深共晶成分合金来说Tg/Tm与Tg/Tl差别不大，但某些具有强非晶形成能力的合金成分并不位于深共晶点附近，Tg/Tm与Tg/Tl的值差别就会很大。Lu[4]等发现Tg/Tl比Tg/Tm能更好的体现非晶的形成能力。
　　
　　四、非晶形成能力及成分设计的方法“混乱”原则和“BP神经网络”
　　（一）“混乱”原则
　　Greer提出非晶态合金成分设计的“混乱”原则，随合金组元数目增多及组元原子半径差增大，合金的玻璃形成能力增强。Egami进一步发展了“混乱”原则。他将拓扑学理论应用到多元块体非晶态合金得出了有利于块体非晶形成的四个条件：增加组元的原子尺寸比；增加相关组元的数目；增加大、小原子间的相互作用；在小原子间引入排斥作用。“混乱”原则促进玻璃形成的内在原因在于增大了结晶阻力，增加了结构致密度[14]，并降低了合金熔点。
　　从热力学上讲，过冷液相与晶体相之间的Gibbs自由能差△G越小，越有利于非晶相的形成。根据△G=△H-T△S，降低熔化焓△H，增加熔化熵△S，均使△G减小。由于△S与系统的微观状态数成正比，故增加组元数可以有效提高△S并增大原子无序密堆排列的程度。原子无序密堆排列程度的增加有利于减小△H并增加液固界面能[4]。因此，组元数目增加可有效降低结晶驱动力△G，提高玻璃形成能力。

　　（二）BP神经网络
　　近几年，人工神经网络的发展也为研究非晶形成能力提供了有效方法。人们发现利用神经网络可以对材料组分及性能间非线性关系进行研究。神经网络是人工神经网络的简称（Artificial Neural Networks ANN）是模仿生物神经的结构与功能所构造出来的人工智能系统。神经网络具有很强的容错性以及很好的联想记忆能力，使得神经网络在很多领域得到广泛的应用。尤其近几年来，大多选用误差逆传播（Back-Propagation Network，简称BP）网络对材料设计和性能预测。BP属于向前网络，是典型的有导师学习机制。它只需要对输入数据和输出数据进行训练学习，就可以对输入输出建立某种内在联系，从而进行预测。这就节省了大量的实验摸索，可以依据预测结果有选择的进行试验验证，节省了时间，提高了效率。
　　
　　五、结语
　　综合上述分析不难看出，过冷液相区的范围ΔTx和约化玻璃转变温度Trg是目前非晶研究中应用最为广泛的两个用以描述合金非晶形成能力的重要参数。然而对于实验过程中出现的一些新现象，仅用这两个参数不能得到圆满的解释。于是各种用以表征合金非晶形成能力的新参数相继出现。这些新参数都在某一方面或对于某些合金系具有一定的合理性，但同时也具有很大的局限性。因此，随着实验过程中各种新现象的不断出现，寻求一种能够正确表征不同合金非晶形成能力的新参数就成为目前非晶合金研究中需要迫切解决的问题之一。
　　
　　参考文献
　　[1]王焕荣、石志强、滕新营、闵光辉、叶以富，合金非晶形成能力的研究进展[J]，功能材料，2002，33(4)，357-359
　　[2]王清，团簇线判据及Cu-ZrHf基三元块体非晶合金形成[D]，大连，大连理工大学，董闯，2005-09
　　[3]贺自强、王新林、全白云，块体非晶态合金的成分设计准则及玻璃形成能力的表征[J]，材料热处理学报，2006，27（1），28-33