ZrCu基金属玻璃中特殊玻璃转变行为的研究

Metallic glasses are quenched from liquids. Their structure and behavior is more sensitive to the melt state than crystalline alloys. Recently, the applicant found that glass transition phenomenon disappeared from the differential scanning calorimetry curve of Zr-Al-Ni-Cu metallic glass when quenching the melt with a very high superheating degree. To clarify the occurrence rule, universality and underlying mechanism of this peculiar behavior, typical binary, ternary and quaternary ZrCu-based metallic glasses will be used to investigate the influences of quenching temperature on glass-forming ability, glass transition process and mechanical properties of the glasses. The melt structure and its change during glass transition will be explored by means of synchrotron X-ray diffraction and extended X-ray absorption fine structure spectroscopy techniques, in combination with molecular dynamics simulations. Based on the experimental and calculation results, it will be comprehensively analyzed why the glass structure and glass transition change with melt temperature and what is the condition for glass transition to disappear. It is believed that the execution of this project is greatly helpful for understanding the physical origin of glass transition that has been listed in the extremely important issues in materials and physical fields.

金属玻璃作为“冷冻的液体”，其结构和行为对快淬前熔体状态的敏感度远超晶态合金。申请人近期在Zr-Al-Ni-Cu金属玻璃中发现，大幅度提高快淬时熔体的温度，热分析曲线上玻璃转变现象消失。为阐明这一罕见现象发生的规律、普适性及其蕴含的物理意义，本项目拟选择典型ZrCu基二元、三元和四元玻璃形成合金，在平衡熔点以上较大的温度范围内过热处理熔体，考察熔体快淬温度对玻璃形成能力、玻璃转变行为和力学性能的影响；利用同步辐射X射线衍射和X射线吸收精细结构谱技术，结合分子动力学模拟，研究合金熔体及其向金属玻璃转变过程中的结构变化，以及金属玻璃在重新加热至过冷液相区温度时的结构；在此基础上，深入分析熔体过热度影响金属玻璃结构和玻璃转变行为的原因和条件。相关工作的开展，对认识玻璃转变的物理本质具有巨大的促进作用。

金属玻璃作为新型的结构和功能材料，应用潜力巨大；快淬前熔体的状态显著影响其结构和行为；研究发现，大幅度提高快淬时熔体的温度，玻璃转变现象消失。为阐明这一罕见现象发生的规律、普适性及其蕴含的物理意义，本项主要研究了典型ZrCu基二元、三元和四元合金，在平衡熔点以上较大的温度范围内过热处理熔体，考察了熔体快淬温度对玻璃形成能力、玻璃转变行为和力学性能的影响；利用同步辐射X射线衍射和X射线吸收精细结构谱技术，结合分子动力学模拟，研究了合金熔体及其向金属玻璃转变过程中的结构变化，以及金属玻璃在重新加热至过冷液相区温度时的结构；在此基础上，深入分析了熔体过热度影响金属玻璃结构和玻璃转变行为的原因和条件。研究结果表明：大幅度提高ZrCu基金属玻璃快淬前熔体的过热度，会导致金属玻璃热分析曲线上玻璃转变现象的消失，ZrCu基合金在熔体过热度高于约700°时消失；材料的综合力学性能提高，但不利于提高合金的玻璃形成能力；熔体过热处理对ZrCu基金属玻璃高配位中程有序团簇的具有一定影响，发现熔体过热影响合金纳米结构的形成，进而对合金的强度产生影响。通过项目相关工作的研究，对认识玻璃转变的物理本质具有巨大的促进作用。