合金玻璃形成能力表征與預(yù)測(cè)以及塊體金屬玻璃的制備.pdf

1、快速而又合理地判定合金的玻璃形成能力是開發(fā)新型金屬玻璃的關(guān)鍵，以較為成熟的Pd基、Mg基、Zr基和La基塊體金屬玻璃為研究對(duì)象，研究其混合熵Smix、原子半徑差比率△d、原子電負(fù)性差比率△e、化學(xué)鍵離子率v、d/e=△d/△e、熔化熱/凝固潛熱⊿Hm以及固液自由能差⊿G等參數(shù)與金屬玻璃的臨界冷卻速度Rc的關(guān)系，建立了可以成功地用于預(yù)測(cè)合金玻璃形成能力的徑向基函數(shù)RBF網(wǎng)絡(luò)模型，并采用真空噴鑄法制備了金屬玻璃樣品，對(duì)上述的各種關(guān)系和RBF

2、網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了直接驗(yàn)證。 △d、△e和v與臨界冷卻速度Rc的關(guān)系中都出現(xiàn)極值現(xiàn)象，對(duì)于不同的合金體系，極值出現(xiàn)的位置不同；金屬玻璃的最優(yōu)成分范圍以及各種添加元素的最佳添加量行為，可能與此極值現(xiàn)象相關(guān)；合金中包含的組元數(shù)目多有利于提高其玻璃形成能力，玻璃形成能力強(qiáng)的合金，其各個(gè)組元的原子百分含量、組元原子半徑差及其電負(fù)性差之間的搭配是很和諧的；融合建模的合金系之間包含的主要組元數(shù)量和種類越相近，所建立的模型的可靠程度越高，其預(yù)測(cè)結(jié)

3、果與實(shí)測(cè)結(jié)果越吻合。 融合△d和△e，得到了一個(gè)新的能快速而又準(zhǔn)確判定合金玻璃形成能力的判據(jù)，即d/e判據(jù)，發(fā)現(xiàn)其與Rc之間的關(guān)系比△d或△e與Rc之間的關(guān)系表現(xiàn)出的規(guī)律更具一致性，即開口向上的拋物線規(guī)律，表明具有適中的d/e值的合金有較高的玻璃形成能力，要準(zhǔn)確地判定合金的玻璃形成能力必須同時(shí)考慮影響合金玻璃形成能力的關(guān)鍵性因素，切不可過分強(qiáng)調(diào)某一參數(shù)的作用；并且其模型二次項(xiàng)前常數(shù)B2反映了合金系的玻璃形成能力對(duì)合金成分的敏感性

4、和合金最佳玻璃形成成分范圍的大小，B2越大表明該合金系的玻璃形成能力對(duì)合金成分越敏感、合金最佳玻璃形成成分范圍越窄。 應(yīng)用熱力學(xué)有關(guān)理論，得出了一系列計(jì)算金屬玻璃△G的模型，并把它們劃分為三類，簡(jiǎn)稱為第Ⅰ類、第Ⅱ類和第Ⅲ類，提出了極限溫度Tj，即模型合理計(jì)算自由能差所能達(dá)到的最低溫度的概念，三類模型分別適合于不同合金的自由能差的計(jì)算，模型沒有優(yōu)劣之分；△G的計(jì)算與熔化溫度Tm有關(guān)，采用不同的Tm計(jì)算，△G曲線會(huì)發(fā)生漂移，漂移的幅

5、度與熔化溫度區(qū)間△T有關(guān)，即，△T越大，△G曲線漂移的幅度越大；提出了合理判定金屬玻璃△G計(jì)算模型的方法，即單向一次躍遷規(guī)則，得出了△G曲線發(fā)生躍遷的約化玻璃溫度Trg和△T的極小估計(jì)值，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合；發(fā)現(xiàn)金屬玻璃的△G與其Rc間不存在線性關(guān)系；提出了折合熔化溫度Trm和折合系數(shù)β(0≤β≤1)的概念，當(dāng)Trm合適時(shí)，在△G恰當(dāng)處，其玻璃形成能力達(dá)到最佳；金屬玻璃△G小的條件是Trg大且其△T適中；通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了T

6、rg作為合金玻璃形成能力的判據(jù)的合理性和局限性。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不管是在何種升溫速率下采用何種Tm，采用單向一次躍遷規(guī)則計(jì)算得到的Rc不但在數(shù)值上而且在玻璃形成能力趨勢(shì)上都與實(shí)測(cè)值吻合，表明單向一次躍遷法則的計(jì)算值與采用的升溫速率和Tm關(guān)系不大；采用單向一次躍遷法則、式(8-5)、Johnson模型等計(jì)算的Rc與RBF網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)值在數(shù)值上而且在玻璃形成能力趨勢(shì)上都與實(shí)際情況吻合較好，表明單向一次躍遷法則的正確性與合理性。

7、提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而又快速預(yù)測(cè)合金玻璃形成能力的簡(jiǎn)潔方法和表征合金玻璃形成能力的新的參數(shù)，即⊿Hm，其模型預(yù)測(cè)的Rc與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。但是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)⊿Hm判據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果比用單向一次躍遷法則的預(yù)測(cè)結(jié)果要差，表明Trg起了不可忽視的作用；采用d/e和⊿Hm兩個(gè)判據(jù)所得到的Rc的預(yù)測(cè)值在數(shù)值上吻合較差，尤以后者的結(jié)果更差，主要是由于這兩個(gè)判據(jù)只包含了影響合金玻璃形成能力的因素的一部分。 在研究RBF網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)性能中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化獨(dú)立輸入

8、參數(shù)和樣本的種類及其數(shù)量是建立具有優(yōu)良預(yù)測(cè)性能的RBF網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，RBF網(wǎng)絡(luò)才具有最佳的學(xué)習(xí)效果，達(dá)到最優(yōu)的預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確率；在樣本數(shù)一定的情況下，適當(dāng)添加線性相關(guān)程度高的輸入?yún)?shù)可以調(diào)整RBF網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高RBF網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)性能的目的；添加合適的樣本，可以提高RBF網(wǎng)絡(luò)局部的甚至全局的預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確率，而不影響其它區(qū)域的預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確率；實(shí)驗(yàn)證實(shí)，RBF網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，表明RBF網(wǎng)絡(luò)可以成功地用于金屬玻璃的

9、玻璃形成能力的預(yù)測(cè)，能夠大大地減少時(shí)間、精力和資本投入；RBF網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的內(nèi)插功能，但不具有外插能力。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RBF網(wǎng)絡(luò)既可合理地預(yù)測(cè)合金的約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度和過冷液相區(qū)間又能可靠地預(yù)測(cè)合金的臨界冷卻速度和臨界尺寸，而單向一次躍遷法則、d/e和⊿Hm三個(gè)判據(jù)只能用來預(yù)測(cè)合金的臨界冷卻速度，在趨勢(shì)預(yù)測(cè)上四種方法的結(jié)果基本吻合，但在數(shù)值預(yù)測(cè)上前兩者的結(jié)果很接近實(shí)測(cè)結(jié)果，后兩者的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較遠(yuǎn)，⊿Hm判據(jù)最差。四種方法

10、可以相互對(duì)照、互相補(bǔ)充。 金屬玻璃的不同的特征溫度對(duì)升溫速率B的敏感程度不同，不同的合金系甚至合金成分的微小改變后的特征溫度對(duì)升溫速率的敏感程度也不同，并且這種敏感性與合金成分偏離共晶成分的程度不同而變化，即合金越靠近共晶成分，這種敏感性就越低；特征溫度的自然對(duì)數(shù)值lnT與升溫速率B之間的關(guān)系很好地成線性關(guān)系；金屬玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變激活能Eg和初始晶化溫度Tx因合金系和合金成分的不同而有較大的差別，靠近共晶成分的合金的玻璃轉(zhuǎn)變激活能