[논문 리뷰] Thermodynamics, kinetics and fragility of bulk metallic glass forming liquids

Ralf Busch, Zach Evenson외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 09.

Material Science and Thermodynamics참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 버겔-플루처-탐만(VFT) 방정식, 애덤-지브스 및 코헨-터너 발 자유체적 모델을 사용하여 거대 금속 유리 형성 액체의 열역학, 동역학 및 취약성에 대해 연구한다. Zr 기반 BMG는 냉각 과정에서 취약성에서 강성으로의 전이를 보이며, 합금 복잡성이 증가할수록 취약성이 증가하고, 비트렐로이 1에서 다상성 액체-액체 전이가 관찰되며, 이는 애덤-지브스 모델을 통해 동역학적 취약성과 구성 엔트로피를 연결한다.

ABSTRACT

This review deals with the kinetic and thermodynamic fragility of bulk metallic glass forming liquids. The experimental methods to determine the kinetic fragility, relaxation behavior and thermodynamic functions of undercooled metallic liquids are introduced. Existing data are assessed and discussed using the Vogel-Fulcher-Tammann equation and in the frameworks of the Adam-Gibbs as well as the Cohen-Turnbull free volume approach. In contrast to pure metals and most non glass forming alloys, bulk glass formers are moderately strong liquids. In general the fragility parameter $D^{*} $ increases with the complexity of the alloy with differences between the alloy families, e.g. noble-metal based alloys being more fragile than Zr-based alloys. At least some bulk metallic glass forming liquids, such as Vitreloy 1, undergo transitions from a fragile state at high temperatures to a strong state at low temperatures with indications that in Zr-based alloys this behavior is a common phenomenon.

연구 동기 및 목표

• 거대 금속 유리(BMG) 형성 액체의 동역학적 및 열역학적 취약성을 이해하기 위해.
• 기존의 모델을 사용하여 과냉각 금속 액체의 리라크스 동역학 및 열역학적 함수를 평가하기 위해.
• 합금 복잡성과 조성이 취약성 및 유리 형성 능력(GFA)에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• Zr 기반 BMG에서 액체-액체 전이의 존재 여부를 조사하고, 그 동역학적 행동에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 애덤-지브스 및 VFT 프레임워크를 사용하여 동역학적 취약성(D*)을 구성 엔트로피 및 자유체적으로 관련짓기 위해.

제안 방법

• 융해 점도 데이터를 버겔-플루처-탐만(VFT) 방정식에 적합하여 취약성 파라미터 D*와 특성 온도 T0를 추출하기 위해.
• 애덤-지브스 엔트로피 모델을 적용하여 점도를 구성 엔트로피와 온도와 관련짓기 위해.
• 코헨-터너 발 자유체적 모델을 사용하여 온도에 따라 변화하는 자유체적과 원자 부피를 통해 점도를 기술하기 위해.
• 확장된 코헨-그레스트 자유체적 모델을 활용하여 절대 온도에서의 비영제 자유체적을 고려하기 위해.
• VFT, 애덤-지브스 및 자유체적 모델을 비교하여 다양한 합금 군에서 점도, 리라크스 시간 및 취약성을 분석하기 위해.
• Zr 기반 및 귀금속 기반 BMG의 실험 데이터를 분석하여 취약성 및 상전이의 추세를 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합금 복잡성과 조성에 따라 거대 금속 유리 형성 액체의 동역학적 취약성(D*)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Zr 기반 BMG에서 취약성에서 강성으로의 전이의 성격은 무엇이며, 어느 온도에서 발생하는가?
• RQ3 VFT, 애덤-지브스 및 자유체적 모델이 과냉각 금속 액체의 점도 및 리라크스 행동을 정량적으로 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ4 비트렐로이 1에서 다상성 액체-액체 전이의 증거가 있는가, 그리고 이는 액체의 취약성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 BMG에서 카우츠만 온도와 구성 엔트로피가 사라지는 온도를 비교할 때, 이는 유리 전이에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• Zr 기반 거대 금속 유리 형성 액체는 냉각 과정에서 취약성에서 강성으로의 전이를 보이며, 고온에서는 취약 상태가 지배하고 저온에서는 강성 상태가 지배한다.
• 취약성 파라미터 D*는 합금 복잡성이 증가할수록 증가하며, 귀금속 기반 합금은 Zr 기반 합금보다 더 취약하다.
• 비트렐로이 1에서 다상성 액체-액체 전이가 관찰되며, 이는 약한 제1종 전이와 유사하고, 취약성에서 강성으로의 전이와 관련되어 있다.
• 애덤-지브스 모델에서 구성 엔트로피가 사라지는 온도와 VFT 모델에서 점도가 발산하는 온도가 5–10% 이내로 일치하여 열역학적 및 동역학적 모델 간의 일관성을 보여준다.
• BMG의 융해 엔트로피는 액체와 결정 상태 간의 구성 엔트로피의 차이를 반영하지 못하며, 이는 결정상에서의 높은 혼합 엔트로피 때문이기 때문이다.
• 귀금속 기반 BMG는 더 취약하고 핵형성에 의해 제어되며, 이른-늦은 전이 금속 기반 합금은 더 강하며 성장에 의해 제어되며, Mg/Ca 기반 합금은 산소에 매우 민감하고 잠재적으로 더 강한 성질을 보일 수 있다.