金属在加热熔化和冷却凝固过程中的特征温度及其相关性研究

The metallic glass and the ultrafine-grained crystalline material resulted from the rapid solidification of highly undercooled melts have a very wide application prospect due to the unique advantages of their properties. The prerequisite for obtaining the metallic glass and the ultrafine-grained crystalline material solidified from highly undercooled melts is that there is no crystal site in the melt. Therefore, it is of theoretical significance and applicable value to research the condition for forming a uniform melt free of crystal sites and the effect of the melt state on the solidification behaviors. The purpose of this project is, by experimental measurment and molecular dynamics simulation of the dependence of the melt structure on the temperature and the dependence of the glass transition temperature on the melt state and the melt composition, to obtain the method for determining the temperature that the crystal sites can survive in the melt and the relationship among the the glass transition temperture, the melt state and the melt composition. Based on these, a new energy term(Fermi energy) will be added to the classical nucleation theory to establish the model to describe the relationship between the surviving crystal size and the melt temperture as well as the model to describe the dependence of the glass transition temperture on the melt state and melt composition. Through the experimental and theory study of this project, a temperature criterion for smelting the homogenous melt free of surviving crystal sites and the the quantitative relation among the the glass transition temperture, the melt state and the melt composition will be obtained. Thus, the problems that we cannot precisely design and effectively control the composition and smelting parameters of metallic glass will be resolved.

金属深过冷快速凝固超细晶和非晶材料以其不可替代的优异性能具有广阔的应用前景。获得不含晶体质点的熔体是其凝固后得到超细晶和非晶组织的前提。因此，研究金属熔体中晶体质点的存在条件及熔体状态与凝固特性的关系具有理论意义和实用价值。 本项目研究的主要目的是通过对金属熔体结构随熔体温度变化关系、熔体玻璃化转变温度随熔体状态及成分变化关系的实验测定和分子动力学模拟，获得确定金属熔体中晶体质点存在温度的方法以及熔体玻璃化转变温度随其状态和成分的变化规律。在此基础上，在经典形核模型中增加一个新项（Fermi能），建立相关理论模型来描述金属熔体中晶体质点随温度的变化规律以及熔体玻璃化转变温度随其状态和成分的变化规律。 通过本项目研究，不仅有望得到熔炼不含晶体质点熔体的温度判据，也可获得熔体玻璃化转变温度与其状态和成分的定量关系,从而解决目前人们不能对金属玻璃成分和熔炼工艺进行准确设计和有效控制的问题。

本项目测试研究了纯Se、Ge4Se96、Ge7.6Se92.6、Ge20Sb15Se65玻璃的比热，晶化热、软化点，热膨胀系数等物理参数。提出有关比热的预测模型方法。通过热力学计算获得了玻璃的理想玻璃转变温度T0和Kauzmann温度Tk。发现Tk随Ge含量增加而增大。研究不同过冷度下的Al-70%Si，Al-80%Si合金的凝固过程，发现随过冷度增加，凝固界面由片状的Si变成等轴晶Si；观察到所有样品起始凝固都是从一点开始，随后生长过程中形核在界面持续发生，只是随着时间推移形核率逐渐下降；生长过程中发现枝晶靠拢现象。对Al-80%Si合金加不同量RE元素，使初生硅急剧细化过冷度ΔT1和生长方式转变过冷度ΔT2同时减小。采用等温动力学和非等温动力学方法分析Cu50Zr50金属玻璃的晶化激活能，生长指数等参数。进而研究金属玻璃的玻璃转变温度和T0温度之间的关系，发现T0=0.897Tg-100.9。研究了Fe-B，Ni-B合金的深过冷凝固界面，过冷度，组织形态之间的关系，获得了亚稳稳定相的临界转变过冷度等数据。采用嵌入原子势(EAM)模拟计算了Al0.67Cu0.33合金的扩散系数。对不同初始温度和弛豫时间下Al-33.2%Cu共晶合金凝固过程的扩散系数进行了对比分析。采用分子动力学法模拟了金属Ti、Co、Fe、Au熔体等过热温度与凝固过冷度之间的关系。获得了熔体中残留晶体质点最高存在温度Tm2与原子团簇最高存在温度Ta数据。同时模拟了冷却速率对凝固过冷度的影响，获得了各种金属形成玻璃的临界冷速。进而建立了冷速与过冷度的关系模型，模型计算结果与模拟结果吻合良好。提出了从DSC曲线计算相变热的等价零潜热基线法模型，采用这个模型能更准确的给出考虑相变前后比热变化的基线方程，准确计算相变热。在此模型基础上研究了过热处理时间对金属凝固潜热的影响，发现过热处理时间越长，凝固释放潜热越大。根据实验数据建立的过热处理时间对潜热的影响模型ΔHt=ΔH0-k/(t-t0)。利用甩带法成功地制出了Ni-B非晶，并研究了其晶化过程与凝固过程的差异。通过Ni-B合金的凝固过程研究了合金凝固速率与冷却曲线的再辉速率的关系，由理论推导得到两个速率的关式。