大块非晶合金Cu60Zr40-xTix过冷液相区的粘度和脆性＊

王丹，付斯年，赵立萍，刘艳凤，吴春雷，贾相华

大块非晶合金Cu60Zr40-xTix过冷液相区的粘度和脆性＊

王丹，付斯年，赵立萍，刘艳凤，吴春雷，贾相华

（牡丹江师范学院 物理与电子工程学院 新型碳基功能与超硬材料黑龙江省重点实验室，黑龙江 牡丹江 157011）

采用三点压弯法测量了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）大块非晶合金在过冷液相区的粘度。粘度与Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程拟合良好。根据测得的粘度数据，计算了三种非晶合金的脆性参数。随着Ti含量的增加，合金的脆性参数由26增加到28.3，粘滞流动激活能由9 009 k下降到8 206 k。研究结果表明Cu60Zr32Ti8具有最好的非晶形成能力。

非晶合金；粘度；脆性；粘性流动激活能

1 引言

自1960年Duwez第一次发现非晶合金以来[1]，人们便对非晶合金产生了极大的兴趣，开始致力于非晶合金动力学、热力学和结构性质的研究。通常，粘度是描述过冷液体的动力学过程、表征原子结合力和局域原子运动特性的关键参数。根据粘度数据可以计算出非晶合金相应的动力学脆性参数，脆性参数也是一个表征非晶合金特性的重要的指标，在过冷液相区可以根据脆性参数的大小将非晶合金分为“脆性液体”和“强液体”。一般情况下，人们把过冷液相区脆性参数大于100的非晶合金称之为“脆性液体”，而将脆性参数低于50的非晶合金称之为“强液体”[2-3]。“强液体”粘度特征满足Arrhenius公式，而“弱液体”的粘度特征则不满足该公式，但这两者都可以用Vogel-Fulcher-Tammann （VFT）公式进行拟合[4]。

本文测量了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）大块非晶合金在过冷液相区粘度随温度变化的关系曲线，并用VFT公式对所得数据进行了拟合，计算了非晶合金的脆性参数，研究了钛含量的增加对该非晶合金体系粘度和动力学脆性的影响。

2 实验方法

采用高纯Cu（99.99 重量百分比）、Zr（99.99 重量百分比）、Ti（99.99 重量百分比）金属为原料，在氩气气氛保护下，利用电弧熔炼法制备了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）合金铸锭。然后，在氩气气氛下，采用铜模铸造法制备出了2 mm×2 mm×55 mm的合金试样。经X射线衍射实验证实了试样Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）均为非晶态合金。利用三点压弯式粘度仪对所得非晶合金进行了过冷液相区粘度的测量。

3 结果与讨论

Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）非晶合金在过冷液相区粘度随温度变化曲线如图1所示。

图1 Cu60Zr40-xTix（x=8，10，12为原子数百分比）非晶合金在过冷液相区粘度η随温度T变化曲线

粘度随温度变化关系可以用如下公式表示[5]：

式（1）中：0为粘度系数；和0为拟合参数；为温度。

通过对实验数据进行VFT拟合得出，当=8，10，12时，值分别为9 009 k、8 842 k和8 202 k。值得注意的是参数是一个和温度有关的参数，可以用来表示粘性流动激活能η。由于粘性流动激活能η与原子通过界面时的自由激活能ΔA近似相等，而ΔA对于评价非晶合金的形成能力又具有重要意义，ΔA越高表明非晶合金的形成能力越好。所以认为η或者也同样能够反映出非晶合金的形成能力。因此，推断出值较高的Cu60Zr32Ti8有较好的非晶形成能力。

关于粘度随温度的变化还可以用另一个关系式表达[5]：

式（2）中：η0为常数；η（）为粘性流动激活能；R为摩尔气体常数。通过对实验数据的分析，在过冷液相区非晶合金粘性流动激活能η是温度的函数。

Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）非晶合金在过冷液相区粘性流动激活能η（）随温度变化的曲线如图2所示。由图2可知，粘性流动激活能η（）随温度的升高而降低。从拟合曲线可以看出，Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）的粘性流动激活能η（）随Ti含量的增加而发生变化。非晶合金Cu60Zr32Ti8的η（）随温度变化趋势相对缓慢，具有较低的粘性流动速率。基于“自由体积”的分布控制着粘性流动速度的假设[6]，可以推测，在紧密且无序排列的Cu-Zr原子中，随着Ti含量的降低，“自由体积”减小，原子运动较慢，导致原子的迁移和扩散能力降低，过冷液体的稳定性增强，所以具有较低粘性流动速率的Cu60Zr32Ti8具有最好的稳定性，非晶形成能力最好，这个结果与上面的分析结果一致。因此，可以说粘性流动激活能η与参数之间存在一致性，可以用参数代替粘性流动激活能η来评价非晶合金的形成能力。

图2 Cu60Zr40-xTix（x=8，10，12为原子数百分比）非晶合金在过冷液相区粘性流动激活能Eη（T）随温度T变化的曲线

将log随温度变化的曲线在=g处的斜率定义为脆弱性参数[7]，公式如下所示：

式（3）中：为粘度；g为玻璃化转变温度；为温度。

三种合金的粘度“Angell”如图3所示。脆性参数为=g处的斜率，非晶合金Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）的值分别为26，27.2，28.3。由于都在27左右，可以将Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）归于“强液体”系列。由于值可以表征非晶合金的形成能力[8-9]，Cu60Zr32Ti8的值最低，表明该非晶合金具有最好的非晶形成能力。

图3 Cu60Zr40-xTix（x=8，10，12at.%）非晶合金“Angell”图

4 结论

非晶合金Cu60Zr40-xTix（=8，10，12为原子数百分比）的脆性参数均在27左右，表明该非晶体系属于“强液体”系列。随着Ti含量的增加，合金的脆性参数增大，参数值降低。Cu60Zr32Ti8具有最小的脆性参数、最高的粘性流动激活能和最低粘性流动速率，具有最好的非晶形成能力。

［1］KLEMENT W K，WILLENS R H，DUWEZ P.Non- crystalline structure in solidified Gold-Silicon alloys［J］. Nature，1960（187）：869.

［2］CHEN Z H，LIU L J，ZANG B，et al.Glass transition kinetic property of novel bulk Zr-AI-Ni-Cu（Nb，Ti）amorphous alloy［J］.Acta Phys.sin（in Chinese），2004（53）：384.

［3］ANGELL C A.Formation of glasses from liquids and biopolymers［J］.Science，1995（267）：1924.

［4］ANGELL C A.Relaxation in glass forming liquids and amorphous solids［J］.J.Appl.Phys，2000（88）：3113-3157.

［5］FAN G J ，FECHT H J ，LAVERNIA E J.Lavemia viscous flow of the Pd43Ni10Cu27P20 bulk metallic glass- forming liquid［J］.Applied Physics Letters，2004（1）：26.

［6］WEI S，YANG F.Liquid–liquid transition in a strong bulk metallic glass-forming liquid［J］.Nature Communications，2013（7）：2083

［7］ANGELL C A.Relaxation in liquids polymers and plastic crystals—strong/fragile patterns and problems［J］.Journal of Non-Crystalline Solids，1991（131）：13-17.

［8］BUSH R，MASUHR A，BAKKE E，et al.Bulk metallic glass formation from strong Liquids［J］.Materials Science Forum，1997（455）：369.

［9］何庆坤，刘俊成，张伟儒.非晶态合金的制备与研究进展［J］.铸造工程，2013，37（5）：5-9.

TG139.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.004

2095－6835（2019）18－0010－02

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（编号：12523064）

王丹。

〔编辑：严丽琴〕