混合焓绝对值越大,玻璃转变温度越高。而且还发现玻璃转变温度由热过程中过剩熵的变化决定。混合焓的绝对值反映了在玻璃转变点处的过剩熵值。通过在已知大块
非晶合金的基础上,添加合金元素或者调整合金成分组成,可以获得有益的玻璃转变温度值。
β弛豫是
金属玻璃中重要的动力学过程,但是β弛豫的结构起源尚不清楚。研究了β弛豫与混合焓的关联性,并从局域结构的角度对这种关联性进行了解释。针对Zr-Cu和Zr-Ni金属玻璃,进行了动态力学分析和分子动力学模拟。结果表明,较大负值的混合焓有利于体系中二十面体团簇的形成,而这种具有较高动力学稳定性的二十面体团簇对β弛豫过程中的原子运动具有一定的抑制作用。
测试频率为1Hz时损耗模量E″随温度T变化的曲线中横纵坐标分别以α 弛豫峰所对应的温度Tpα和损耗模量E″pα进行归一化,Tpα和E″pα均通过拟合获得。圆圈代表实验数据,灰色区域为通过KWW拟合得到的β弛豫峰。由于归一化后α 弛豫峰基本重合,所以统一由白色区域表示。由于循环拉伸测试模式和材料热稳定性的限制,无法从实验中获得完整的α 弛豫峰,因此需要通过对储能模量数据进行拟合来确定α 弛豫峰的强度和所对应的温度。拟合曲线与实验数据较为一致。
与Zr60Cu40样品相比,Zr60Ni40样品β弛豫峰的约化温度更低,并且强度提高约30%,这表明Zr60Ni40样品的β弛豫更容易激活,同时更多的原子参与β弛豫运动。因此,在Zr60Ni40样品α 弛豫峰的低温侧可观察到一个明显的β弛豫肩膀,而Zr60Cu40样品的机械弛豫谱仅仅表现出了过剩尾。Zr-(Cu/Ni)金属玻璃体系均具有较大负值的混合焓,分别为–25kJ/mol和–53kJ/mol,该数据通过二元合金的
Miedema模型计算得到。Cu/Ni元素替换显著影响了二元Zr基金属玻璃的β弛豫行为,并且较大负值的混合焓增强了β弛豫运动。
面对的一个重要问题是,该如何理解这种混合焓的化学作用对金属玻璃β弛豫的影响。根据Ngai提出的耦合模型,α 弛豫时间τα与β弛豫时间τβ之间的关系可以用公式进行描述:
其中,tc是常数,约为2×10-12 s,和耦合因子n与玻璃体系中粒子间的相互作用有关,即n随着相互作用增强而逐渐增大。对于具有更大负值混合焓的二元
金属玻璃体系,其内部原子间的相互作用更强,耦合因子n增大,相应的(logτα–logτβ)增加,因此α 弛豫峰和β弛豫峰分离愈加明显。另外,混合焓对金属玻璃的局域结构有重要影响。经典的Bernal硬球密堆模型曾被广泛用作金属玻璃的结构模型,但已认识到该模型无法很好地描述具有明显化学近程序(CSRO)的二元金属玻璃体系,而化学近程序与原子半径比、混合焓密切相关。C·Fan等人通过小角度X射线衍射对Zr60Cu20Pd10Al10过冷液体的近程序进行了研究,发现随着过冷液体温度降低,Zr-Pd最近临原子对的数量迅速增加,而Zr-Cu最近临原子对的数量增加缓慢。该结果表明,过冷液体中以Zr-Pd原子对为主的近程序与Zr、Pd间较大负值混合焓(–91kJ/mol)是密切相关的。
采用
Miedema模型对Cu-La和Pd-Sn二 元合金的混合焓进行了预测。预测结果与文献中的试验数据吻合,进一 步证明了采用Miedema模型预测二元合金混合焓的适用性。
Miedema模型是金属熔体热力学性质计算的一项重要成果。利用二元系统组元元素的基本物性参数,如摩尔 体积 、电子密度和电负性,二元金属熔体的混合焓Hij可预测。公式中xi和xj,Vi和Vj,Φi和Φj,(nws)i和(nws)j分别为组元i和j的摩尔分数 、摩尔体积 、电负性及电子密度。Pij和βij是取决于二元系实际组元的经验参数。α是随二元系为液态或固态而定的一个经验参数,液态时α=0.73,固态时α=1。μi和μj是取决于组元元素原子价态的经验参数。
液态Cu-La二元系在1549K下混合焓的计算值与试验数据的比较。液态Pd-Sn二元系在952和1372K下混合焓的计算值与试验数据的比较。预测值与试验数据吻合良好,证实了所用模型的适用性。实际使用的高性能功能材料一般为多元系统,Mediema模型对二元系统的良好预测能力将为后继研究中借助于几何模型扩展到多元体系合金热力学性质的预测奠定基础。