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非晶合金由于其独特的原子组成结构提供了与传统晶态合金不同的机械物理性能,尤其是大块非晶合金近年的迅猛发展,为非晶合金的应用昭示了无比广泛的前景。最近几年,中国科学家在在非晶合金的变性理论方面做出了突破性的进展并且发现一大批具有较高机械强度以及较大变形能力的大块非晶合金。但是,这些合金的发现大多都建立在试错法的基础上,通过大量的实验验证获得具有较大玻璃形成能力以及较高机械性能的合金成分,具有一定的偶然性。作者在博士期间提出的非晶合金的机械性能预测仅依赖于固态非晶结构稳定性对形成焓的影响,根据相应体系的相关信息,可对合金的机械性能作出推断。仍然基于一定的实验基础,缺乏完全预知的能力。因此,本文拟在对非晶变形过程进行进一步探讨,提出具有一般性的非晶机械性能的预测方法。
通过对理想晶体的Vitek模型中引入异质原子,形成无序非晶结构,讨论其变形过程中原子结构以及原子间相互作用力对非晶合金的变形过程的影响。得出非晶合金的机械性能取决于非晶合金组元之间的相互作用及其原子堆垛结构,此二者分别可用形成焓(⊿Ham)和混合熵(⊿Smix)来表示。二者的乘积与boltzman的比值(以Ψ表示)与非晶合金的变形能力成正比关系。以弹性模量为例,非晶合金的弹性模量E=58.50-1.71ψ。
以Ti基非晶合金的设计为例,结合前人提出的经验原则搜索合金元素,以作者提出的微观结构竞争理论提出合金成分为Ti53Cu27Ni12Hf3A17Si3B1,经该模型计算得其弹性模量应为105GPa。最终,实验得到最大直径达2.5mm的Ti53Cu15Ni18.5Al7Hf3Si3B0.5非晶合金棒,其约化玻璃温度Trg为0.63,过冷液相区宽度⊿Tx为45℃。而其压缩断裂强度、弹性模量和压缩塑性变形量分别为2304MPa、120GPa和1.1%。实际弹性模量接近预测范围。