非晶形成能力与晶体生长行为的关系

Most of glass-forming alloys belong to eutectic alloy systems. Glass-forming ability is naturally thought to be related with coupled eutectic growth. Such an argument, as yet, is far from proven by experimental results and theoretical analyses. In this project, Ni- and Pd-based binary eutectic alloys that can easily be undercooled up to high degrees will first be used for experimental investigation. The alloy melts within a wide concentration range will be solidified at different undercoolings. By monitoring the cooling curve, measuring the crystal growth velocity in rapid solidification and analyzing the solidification structure, dependences of crystal growth mode, atomic attachment kinetics and solid/liquid interface structure on the concentration and undercooling will be established. After the data of critical thickness for glass formation are experimentally determined, the relationship between glass-forming ability and crystal growth behavior will be examined and analyzed. Secondly, third elements will be added to the binary eutectic alloys to investigate what will happen in crystal growth behavior and glass-forming ability. It is believed that the investigation results are helpful for us to understand the crystal growth-controlled glass formation and improve the composition design theory of metallic glasses including the third element selection.

非晶形成合金多属共晶体系，非晶形成能力的大小常与共晶共生生长与否联系在一起，但迄今为止尚缺乏足够的实验事实和坚实的理论分析支持这一论点。为此，本项目拟首先以容易获得大过冷度的Ni-、Pd-基二元共晶系非晶形成合金为对象，在较宽的成分范围内开展深过冷凝固实验，监测凝固过程中试样的温度变化，测定快速凝固阶段的晶体生长速度，分析凝固组织，建立凝固方式、晶体生长速度、固液界面结构特征与合金成分以及过冷度的关系，同时实验确定各成分合金的非晶形成能力，考察非晶形成能力是否与共晶生长方式间存在必然联系，并分析其缘由。其次，在上述二元共晶合金的基础上添加第三组元，考察晶体生长行为的变化情况及其对非晶形成能力的影响，并阐明其机制。相关研究工作的开展，将有助于完善非晶形成的晶体生长控制理论，并为包括第三组元选择在内的非晶合金成分设计提供理论依据。

非晶形成能力是材料科学和凝聚态物理领域重要的理论问题之一，但时至今日人们对其物理本质尚不完全清楚。为此本项目以Pd-P和Pd-Ni-P合金为对象，进行了不同过冷度下的凝固实验，分析了快速凝固阶段的温度再辉行为和凝固后的组织特征，并通过吸铸楔形试样确定了各成分合金的非晶形成能力。结果表明：P含量为14.3-18.6 at.%的Pd-P合金，在较小的过冷度下凝固时，晶体生长方式随成分而变化。过冷度大于约210 K时，则均仅发生Pd6P/Pd3P共晶的析出。然而，随着合金成分偏离非晶形成最佳成分Pd82.8P17.2，合金的非晶形成能力迅速降低，与此同时高过冷度下Pd6P/Pd3P共晶生长的速度上升。Pd82.8P17.2和Ni80.4P19.6合金以不同的比例混合形成Pd-Ni-P三元合金，尽管新的合金高过冷度下并非进行共晶凝固，但其晶体生长速度随另一种组元加入量的增大而急剧减低，伴随出现非晶形成能力的大幅度提高。对Cu100-xZrx (x = 41.18-66.67)二元非晶合金的结构进行分子动力学模拟发现，虽然Cu为中心的二十面体的数量较多，并且具有较强相互连接形成中程序的能力，但在非晶形成能力较强的x = 44 和 x = 50成分处，非晶合金的局域结构与其周围成分相比并没有表现出明显的不同。上述研究结果表明，合金非晶形成能力的大小主要取决于晶体生长动力学，不能简单以合金在大过冷度下是否进行共晶凝固以及非晶（熔体）具有什么样的局域结构来分析比较。项目发表论文8篇，国际学术会议报告1次，国内学术会议邀请报告3次，培养博士生4人，硕士生1人。