[论文解读] Thermodynamics, kinetics and fragility of bulk metallic glass forming liquids

Ralf Busch, Zach Evenson+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2014

Material Science and Thermodynamics参考文献 3被引用 3

一句话总结

本论文利用Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程、Adam-Gibbs模型和Cohen-Turnbull自由体积模型，研究了块状金属玻璃成形液体的热力学、动力学及脆性行为。研究发现，Zr基BMG在冷却过程中表现出从脆性到强性行为的转变，脆性随合金复杂性的增加而增强，并在Vitreloy 1中识别出一种多态性液-液转变，通过Adam-Gibbs模型将动力学脆性与构型熵联系起来。

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.

研究动机与目标

• 理解块状金属玻璃（BMG）成形液体的动力学与热力学脆性。
• 利用成熟模型评估过冷金属液体的松弛行为与热力学函数。
• 确定合金复杂性与成分如何影响脆性与玻璃形成能力（GFA）。
• 探究Zr基BMG中是否存在液-液转变及其对动力学行为的影响。
• 通过Adam-Gibbs与VFT框架，将动力学脆性（D*）与构型熵及自由体积相关联。

提出的方法

• 通过将熔体粘度数据拟合至Vogel-Fulcher-Tammann（VFT）方程，提取脆性参数D*与特征温度T0。
• 应用Adam-Gibbs构型熵模型，将粘度与构型熵及温度关联。
• 采用Cohen-Turnbull自由体积模型，通过温度依赖的自由体积与原子体积描述粘度。
• 应用扩展的Cohen-Grest自由体积模型，以考虑绝对零度时非零的自由体积。
• 比较VFT、Adam-Gibbs与自由体积模型，分析不同合金族的粘度、松弛时间与脆性行为。
• 分析Zr基与贵金属基BMG的实验数据，识别脆性与相变趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 块状金属玻璃成形液体的动力学脆性（D*）如何随合金复杂性与成分变化？
• RQ2 Zr基BMG中从脆性到强性行为的转变性质为何？其转变温度在何处？
• RQ3 VFT、Adam-Gibbs与自由体积模型在定量描述过冷金属液体的粘度与松弛行为方面表现如何？
• RQ4 Vitreloy 1中是否存在多态性液-液转变的证据？其如何影响液体的脆性？
• RQ5 BMG中Kauzmann温度与构型熵归零温度相比如何？这对玻璃化转变意味着什么？

主要发现

• Zr基块状金属玻璃成形液体在冷却过程中表现出从脆性到强性行为的转变，高温下以脆性状态为主，低温下则呈现强性行为。
• 脆性参数D*随合金复杂性增加而增大，贵金属基合金比Zr基合金更具脆性。
• 在Vitreloy 1中观察到多态性液-液转变，其行为类似于弱一级相变，并与脆性到强性的转变相关联。
• Adam-Gibbs模型中构型熵归零的温度与VFT模型中粘度发散的温度在5–10%范围内一致，表明热力学与动力学模型之间具有良好的一致性。
• BMG的熔化熵不能反映液态与晶态之间构型熵的差异，原因在于晶态相中存在高混合熵。
• 贵金属基BMG更具脆性且受成核控制，而早期-晚期过渡金属基合金则更强且受生长控制，Mg/Ca基合金对氧气极为敏感，可能表现出更强的行为。