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玻璃转变现象和受力下的变形行为是金属玻璃研究领域的两个重要热点和关键性问题。在早期的研究中二者都是被分开独立研究的,然而最近的一系列研究发现二者不管从现象还是微观物理机制都存在很多相似性。我们可以从流动的角度加以理解。我们知道流动现象和玻璃的形成、玻璃的变形以及弹性模量等性质有密切的关系。然而,准确得理解金属玻璃的流动现象依然存在很多困难,比如金属玻璃的流动激活能由什么决定?不论是剪切协作模型还是自由体积模型,二者都提到了体积因素的重要性;CuZr二元体系非晶金化前后体积的变化量与玻璃形成能力有密切的关系;摩尔体积在热力学关联性中也有非常重要的作用等等。以上这些现象都说明体积或密度因素跟金属玻璃的流动性质有密切的关系,但是体积因素的具体作用是什么?如何影响与流动相关的各个性质的?这些问题都没有仔细研究过,于是本论文主要通过研究体积/密度因素对弹性模量、玻璃的形成、金属玻璃的变形行为等性质的影响,来认识其对金属玻璃流动性质的影响并最终提出了一个扩展弹性模型。主要结论如下:
我们统计不同金属玻璃体系发现块体金属玻璃的弹性模量与摩尔体积有着很好的幂指数关系;而且这个关系主要由原子的微观吸引相互作用决定。进一步研究发现泊松比和断裂韧性与摩尔体积也存在一定的关系,而且可以用两个临界值(v=0.34和V=11.8cm3/mol)分为4个特征区域,这说明金属玻璃的宏观力学性质与微观原子相互作用有密切的关系。
根据模量配比准则,我们研制出具有一定玻璃形成能力的较软的稀土镱基块体金属玻璃。这个体系很多性质都达到了金属玻璃体系的极值,比如较强的液体脆度、较低的玻璃转变温度、较较低的弹性模量和泊松比、较低的硬度和德拜温度等。这些综合性质使得镱基金属玻璃成为验证性能关联性的模型体系。
以Yb基块体金属玻璃为模型体系研究了高压超声性质,与其他金属玻璃体系相比,Yb基块体金属玻璃的密度、弹性模量、声速等对压力更加敏感。统计其它体系发现体积变化和声子非简谐性效应共同决定了模量的变化。观察到金属玻璃中原子非简谐振动与泊松比、摩尔体积存在明显的关系。同时,初步研究了更高压力下的电阻行为,发现镱基金属玻璃可能存在从一种非晶态到另一种非晶态的相变现象。低温下的电阻、磁化率、超声声速研究发现镱基金属玻璃存在类似于铈元素的,由镱元素化合价变化导致的结构变化。
成功制备了镱钙混合基块体金属玻璃。通过镱和钙的相互替换,我们发现虽然镱和钙混合热为零,可以完全互溶,很多性质也都非常相似,但当钙浓度变化时很多性质都存在极值,包括共晶现象、最好的玻璃形成能力,最小的原子堆积密度,最好的抗腐蚀能力等等。而且我们发现在玻璃形成能力达到最好时,原子堆积密度最小,这与CuZr二元金属玻璃中观察到的现象恰好相反。
根据理论分析和实验数据的验证,我们提出摩尔体积在金属玻璃流动激活能中扮演了特征体积参数的角色。因而我们提出激活能密度的概念,ρE=ΔF/Vm。它表示单位体积原子发生流动所需激活能大小。根据能量密度地形图,我们推出激活能密度由剪切模量和体弹模量共同决定,ρE=(1-α)G+αΚ。体弹模量贡献比约为α≈9%。这个结果得到40余种金属玻璃的模量关联性实验数据以及玻璃转变前后的声速变化的实验数据支持和验证。
本文从不同的角度研究了体积/密度因素对金属玻璃流动性质的影响,并最终针对金属玻璃的流动行为提出了一个扩展弹性模型,这对我们更深入而准确地认识金属玻璃的流动变形机制有重要的意义。