大塊非晶合金Cu60Zr40-xTix過冷液相區的粘度和脆性＊

王丹，付斯年，趙立萍，劉艷鳳，吳春雷，賈相華

大塊非晶合金Cu60Zr40-xTix過冷液相區的粘度和脆性＊

王丹，付斯年，趙立萍，劉艷鳳，吳春雷，賈相華

（牡丹江師范學院 物理與電子工程學院 新型碳基功能與超硬材料黑龍江省重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011）

采用三點壓彎法測量了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）大塊非晶合金在過冷液相區的粘度。粘度與Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程擬合良好。根據測得的粘度數據，計算了三種非晶合金的脆性參數。隨著Ti含量的增加，合金的脆性參數由26增加到28.3，粘滯流動激活能由9 009 k下降到8 206 k。研究結果表明Cu60Zr32Ti8具有最好的非晶形成能力。

非晶合金；粘度；脆性；粘性流動激活能

1 引言

自1960年Duwez第一次發現非晶合金以來[1]，人們便對非晶合金產生了極大的興趣，開始致力于非晶合金動力學、熱力學和結構性質的研究。通常，粘度是描述過冷液體的動力學過程、表征原子結合力和局域原子運動特性的關鍵參數。根據粘度數據可以計算出非晶合金相應的動力學脆性參數，脆性參數也是一個表征非晶合金特性的重要的指標，在過冷液相區可以根據脆性參數的大小將非晶合金分為“脆性液體”和“強液體”。一般情況下，人們把過冷液相區脆性參數大于100的非晶合金稱之為“脆性液體”，而將脆性參數低于50的非晶合金稱之為“強液體”[2-3]。“強液體”粘度特征滿足Arrhenius公式，而“弱液體”的粘度特征則不滿足該公式，但這兩者都可以用Vogel-Fulcher-Tammann （VFT）公式進行擬合[4]。

本文測量了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）大塊非晶合金在過冷液相區粘度隨溫度變化的關系曲線，并用VFT公式對所得數據進行了擬合，計算了非晶合金的脆性參數，研究了鈦含量的增加對該非晶合金體系粘度和動力學脆性的影響。

2 實驗方法

采用高純Cu（99.99 重量百分比）、Zr（99.99 重量百分比）、Ti（99.99 重量百分比）金屬為原料，在氬氣氣氛保護下，利用電弧熔煉法制備了Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）合金鑄錠。然后，在氬氣氣氛下，采用銅模鑄造法制備出了2 mm×2 mm×55 mm的合金試樣。經X射線衍射實驗證實了試樣Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）均為非晶態合金。利用三點壓彎式粘度儀對所得非晶合金進行了過冷液相區粘度的測量。

3 結果與討論

Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）非晶合金在過冷液相區粘度隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 Cu60Zr40-xTix（x=8，10，12為原子數百分比）非晶合金在過冷液相區粘度η隨溫度T變化曲線

粘度隨溫度變化關系可以用如下公式表示[5]：

式（1）中：0為粘度系數；和0為擬合參數；為溫度。

通過對實驗數據進行VFT擬合得出，當=8，10，12時，值分別為9 009 k、8 842 k和8 202 k。值得注意的是參數是一個和溫度有關的參數，可以用來表示粘性流動激活能η。由于粘性流動激活能η與原子通過界面時的自由激活能ΔA近似相等，而ΔA對于評價非晶合金的形成能力又具有重要意義，ΔA越高表明非晶合金的形成能力越好。所以認為η或者也同樣能夠反映出非晶合金的形成能力。因此，推斷出值較高的Cu60Zr32Ti8有較好的非晶形成能力。

關于粘度隨溫度的變化還可以用另一個關系式表達[5]：

式（2）中：η0為常數；η（）為粘性流動激活能；R為摩爾氣體常數。通過對實驗數據的分析，在過冷液相區非晶合金粘性流動激活能η是溫度的函數。

Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）非晶合金在過冷液相區粘性流動激活能η（）隨溫度變化的曲線如圖2所示。由圖2可知，粘性流動激活能η（）隨溫度的升高而降低。從擬合曲線可以看出，Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）的粘性流動激活能η（）隨Ti含量的增加而發生變化。非晶合金Cu60Zr32Ti8的η（）隨溫度變化趨勢相對緩慢，具有較低的粘性流動速率。基于“自由體積”的分布控制著粘性流動速度的假設[6]，可以推測，在緊密且無序排列的Cu-Zr原子中，隨著Ti含量的降低，“自由體積”減小，原子運動較慢，導致原子的遷移和擴散能力降低，過冷液體的穩定性增強，所以具有較低粘性流動速率的Cu60Zr32Ti8具有最好的穩定性，非晶形成能力最好，這個結果與上面的分析結果一致。因此，可以說粘性流動激活能η與參數之間存在一致性，可以用參數代替粘性流動激活能η來評價非晶合金的形成能力。

圖2 Cu60Zr40-xTix（x=8，10，12為原子數百分比）非晶合金在過冷液相區粘性流動激活能Eη（T）隨溫度T變化的曲線

將log隨溫度變化的曲線在=g處的斜率定義為脆弱性參數[7]，公式如下所示：

式（3）中：為粘度；g為玻璃化轉變溫度；為溫度。

三種合金的粘度“Angell”如圖3所示。脆性參數為=g處的斜率，非晶合金Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）的值分別為26，27.2，28.3。由于都在27左右，可以將Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）歸于“強液體”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，表明該非晶合金具有最好的非晶形成能力。

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

4 結論

非晶合金Cu60Zr40-xTix（=8，10，12為原子數百分比）的脆性參數均在27左右，表明該非晶體系屬于“強液體”系列。隨著Ti含量的增加，合金的脆性參數增大，參數值降低。Cu60Zr32Ti8具有最小的脆性參數、最高的粘性流動激活能和最低粘性流動速率，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］何慶坤，劉俊成，張偉儒.非晶態合金的制備與研究進展［J］.鑄造工程，2013，37（5）：5-9.

TG139.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.004

2095－6835（2019）18－0010－02

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（編號：12523064）

王丹。

〔編輯：嚴麗琴〕