非晶合金的发现为凝聚态物质世界打开了一扇新的窗户。其长程无序、短程有序的独特结构使其具有异于晶态合金的机械、物理及化学性能,显示出广泛的应用前景和理论研究价值,成为新材料研究的热点和前沿。目前非晶合金的研究主要分为三个部分:一、“能不能得到非晶,能得到多大尺寸的非晶”的玻璃形成能力问题；二、“制备出的大块非晶合金性能和结构能保持多久,在多高温度下能保持稳定”的稳定性问题；三、“稳定的大块非晶合金其应用性能如何”的应用性能问题。关于这三个方面的的研究可谓层出不穷,但限于非晶形成过程及非晶结构的复杂性,尚未提出可直接设计预测非晶合金成分及性能的一般性判据。这使得对非晶合金的开发还停留在“试错法”阶段。 本文从微观结构对非晶合金的影响出发,在分析非晶合金形成的热力学、动力学及微观结构的基础上,提出基于合金本征特性的、具有一定可靠性的玻璃形成能力、热稳定性和机械性能的设计判据,设计出一系列Tb基、Tj基、Nd基和Fe基非晶合金.并具体以Ti基和Fe基非晶合金为例,系统说明了设计具有一定应用背景和较高综合性能(玻璃形成能力、热稳定性、以及机械性能或硬磁性能)的非晶结构材料和非晶功能材料的方法,验证了上述判据的可靠性。 非晶合金可以看作是凝固的深过冷熔体,其高密度无规密堆原子结构构成固态非晶无序相的主体。无规密堆结构中的原子受到周围原子束缚,无论是单原子还是原子团的重排都很困难,结构相对稳定.凝固过程中,熔体原子结构重排和组分调整需克服上述阻力,动力学过程也由于相对稳定的结构而变得缓慢。如果在实验室时间尺度以内,原子重排受到有效抑制则易于形成非晶结构,否则,则形成晶化相结构。基于此,本文提出一个的参数ε来描述和衡量熔体结构抑制原子有序重排的能力.计算结果表明,典型非晶合金的ε大多分布于ε<0.6 K<-1>的区域,并且ε与临界冷速呈线性递减关系。当合金成分满足0.25<ε<0.6 K<-1>时,合金易于形成大块非晶.该判据仅与合金本征特性相关,计算简便,可以同时衡量和预测未知合金的玻璃形成能力。 与经由液态的非晶合金形成过程不同,非晶合金的晶化过程发生在固态结构中。由于非晶态与晶态之间的熵差很小,晶化过程的驱动力主要来自于形成焓。 此外,非晶合金的形核长大需要大量的原子重排,非晶结构中原子团簇和短程序作为非晶/晶化相之间的桥梁,对晶化过程将起到决定性作用.其结构类型将影响晶化反应的结果。因此,成分含量变化或者单一元素合金化的同一非晶合金体系内,其热稳定性与非晶形成焓呈直线关系。斜率越大,热稳定性对成分变化越敏感.而斜率符号则揭示出非晶合金的短程有序结构与初始晶化相结构的相似属性,当二者结构相似时,斜率为负,随形成焓降低,热稳定性提高,反之亦然。 非晶合金的变形过程也与非晶合金的微观结构与组元间的相互作用有关.当物体受到外力作用时,外应力将克服原子间的相互作用和微观结构的阻力使原子或原子平面发生相对位移,产生形变。组元之间的相互作用和微观结构阻力越大,合金产生变形的难度越大,机械性能越高。同一体系非晶合金,主要组元相同,结构差异不大,可以近似认为其机械性能主要取决于非晶形成焓.由Ti基非晶合金的实验数据总结发现,Ti基非晶合金形成焓越大,机械性能越高。 联合运用玻璃形成能力、热稳定性以及机械性能预测方法,设计并制备了具有较高综合性能的Ti基大块非晶合金Ti<,53>Cu<,15>Ni<,18.5>Al<,7>Sc<,3>Si<,3>B<,0.5>,其最大压缩强度、最大压缩变形量和最低Young担模量分别为的2325MPa、1.6﹪和114Gpa,该合金同时具有良好的玻璃形成能力和热稳定性,其△T<,x>、T、γ和ε分别为58K、0.572、0.394和0.390 K<-1>,最大临界尺寸2mm.此外,还探索了ε判据在设计功能性非晶合金中的应用,获得了玻璃形成能力和硬磁性能均可于Nd-Fe-Co-Al合金媲美的Nd<,60>Fe<,20>Cu<,10>Al<,10>硬磁性非晶合金.为克服Nd-Fe基非晶合金剩磁性能差的缺点,本文还设计了四元Fe基非晶合金,其中Fe<,70>Nd<,5>Co<,5>B<,20>的△T<,x>、T、γ以及ε的值分别为81K、0.546、0.391和0.463 K<-1>,通过晶化热处理法获得复合硬磁性材料,其剩余磁化强度比Nd-Fe基非晶合金提高10倍以上,达到107.69Am<2>kg<-1>,接近目前多组元的Fe基非晶纳米晶复合材料的硬磁性能。 从以上理论分析及实验验证结果可以发现,本文提出的微观结构判据能快速有效地设计新的非晶合金,为非晶合金的设计开发节约大量的人力、物力和财力。