Cu基金属玻璃的特征温度与成分之间关系的研究

摘要

本文以Cu基金属玻璃Cu55-xZr45Alx(x=6,7,9)和Cu100-xZrx(x=35.5,45,50)为研究对象，采用铜模急冷甩带法制备了Cu基玻璃试样。通过X射线衍射仪（XRD）和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)对样品的非晶态结构进行鉴定，采用差示扫描量热分析仪(DSC)研究金属玻璃的非等温和等温动力学问题以及VF温度T0和Kauzmann温度Tk。利用Kissinger、Ozawa、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Arrhenius方程获得了非等温和等温晶化的活化能，根据Vogel-Fulcher(VF)方程拟合确定非晶样品的VF温度T0，通过根据T0和Tx服从Lasocka方程，通过交点确定Kauzmann温度Tk。
　　本研究主要内容包括：⑴获得了Cu55-xZr45Alx和Cu100-xZrx金属玻璃，玻璃转变温度Tg、开始析晶温度Tx和析晶峰温度Tp随升温速率的变化规律，发现特征温度随着升温速率升高而升高。同时，获得了Cu55-xZr45Alx和Cu100-xZrx的Tg随成分的变化规律，发现Cu55-xZr45Alx的Tg随Al的原子百分数增加而增加；Cu100-xZrx的Tg随着Zr的原子百分数减小而增加。⑵基于Kissinger和Ozawa方程计算了三元金属玻璃Cu55-xZr45Alx和二元金属玻璃Cu100-xZrx的玻璃转变活化能Eg、开始析晶活化能Ex和析晶峰活化能Ep，发现由Kissinger方程得到的数值大于Ozawa数值但很相近，三元金属玻璃Cu55-xZr45Alx和二元金属玻璃Cu100-xZrx的玻璃转变活化能 Eg均大于开始析晶活化能 Ex。除此之外，通过Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)和 Flynn-Wall-Ozawa(FWO)方程确定了Cu55-xZr45Alx和Cu100-xZrx的非等温局部激活能，发现了三元和二元金属玻璃在整个晶化过程中局部激活能随着晶化体积分数的变化情况；基于Arrhenius方程确定了Cu55Zr45和Cu50Zr50的等温局部激活能，分析了在整个等温晶化过程中局部激活能随着晶化体积分数的变化情况。⑶获得了Cu50Zr50和Cu55Zr45的等温DSC曲线变化规律，发现每条曲线都要经历一定的孕育期，才会发生晶化，等温温度越低，孕育期的时间越长，这是因为温度越低，原子的运动越慢，不利于非晶发生晶化。⑷获得了Cu55-xZr45Alx和Cu100-xZrx在不同速率下温度与晶化体积分数之间的对应关系S形图，分为三个阶段，比较了三元金属玻璃和二元金属玻璃三个阶段的取值范围，发现这些金属非晶的三个阶段的晶化分数基本上是相同的，也就是说每个阶段的进行的程度，不受升温速率、晶化温度和物质成分的影响，但需要说明不受物质成分的影响是指金属非晶的元数必须相同。同时，比较Cu55Zr45和Cu50Zr50的在不同的等温温度下的等温时间与晶化体积分数之间关系曲线，每个阶段的范围也是基本相同的，说明在等温晶化过程中，每个阶段不受等温温度和物质成分影响。除此之外，这两种金属玻璃晶化曲线的陡峭程度都是随着等温温度的升高而减弱。⑸得到三元金属玻璃Cu49Zr45Al6、Cu48Zr45Al7和Cu46Zr45Al9的VF温度T0分别为630.4K、649.4K、665.4K；拟合得到二元金属玻璃Cu50Zr50、Cu55Zr45和Cu64.5Zr35.5的温度VF温度T0分别为651.4K、658.9K、690.37K。除此之外，获得了三元金属玻璃Cu55-xZr45Alx和二元金属玻璃Cu100-xZrx的T0随成分变化之间的规律，发现Cu55-xZr45Alx的T0随Al的原子百分数增加而随之增加，Tg与T0的比值在1.08-1.12之间；二元金属玻璃Cu100-xZrx的T0随成分变化的规律，发现T0随Zr的原子百分数减小而随之增加，Tg与T0的比值在1.05-1.06之间。⑹获得了三元金属玻璃Cu49Zr45Al6、Cu48Zr45Al7和Cu46Zr45Al9的Kauzmann温度分别为626.1K、639.5K和654.4K；同时，获得二元金属玻璃Cu50Zr50、Cu55Zr45和Cu64.5Zr35.5的Kauzmann温度分别为645.2K、653.6K和674.8K。除此之外，得到三元金属玻璃Cu55-xZr45Alx的Tk随成分变化的规律，发现Tk随着Al的原子百分数增加而随之增加，Tg与Tk的比值在1.10-1.13之间；得到二元金属玻璃Cu100-xZrx的Tk随成分变化之间的规律，发现Tk随Zr的原子百分数减小而随之增加， Tg与Tk的比值在1.06-1.07之间。比较Cu55-xZr45Alx和Cu100-xZrx的动力学玻璃转变温度T0与热力学玻璃转变温度Tk的大小关系，发现T0≈Tk。⑺获得了不同金属玻璃的实际测量的玻璃转变温度Tg与VF温度T0和Kauzmann温度Tk的线性对应关系，发现大致符合：Tk=1.085Tg-121.08和T0=0.847Tg-40.04。

目录

1 绪 论

1.1非晶态合金及其发展过程

1.2非晶态合金的形成

1.3 Cu基金属玻璃的研究进展

1.4 本课题的提出和研究内容

2 Cu基金属非晶的制备及分析方法

2.1 Cu基金属非晶的制备方法

2.2性能检测方法

3 Cu基金属玻璃的Tg、Tx和Tp

3.1 Cu基金属玻璃的结构分析

3.2 Cu基金属非晶的示差扫描热分析

3.3小结

4 Cu基金属玻璃的T0与动力学性质

4.1 Vogel–Fulcher方程拟合T0

4.2 Cu基金属玻璃特征温度对应的活化能

4.3 Cu基金属玻璃的非等温晶化动力学分析

4.4 Cu基金属玻璃的等温晶化动力学分析

4.5小结

5 金属玻璃的Tk

5.1Cu基金属玻璃的Tk与Tg和T0之间的关系

5.2金属玻璃的Tg与Tk和T0之间的关系

5.3小结

6 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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