通过调节熔融状态来调控Cu-52Zr-48非晶合金中的层次松弛动力学

《Journal of Non-Crystalline Solids》:Regulating hierarchical relaxation kinetics in Cu 52Zr 48 amorphous alloys by modulation of melt states

【字体: 时间:2026年03月24日 来源:Journal of Non-Crystalline Solids 3.5

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  非晶合金Cu52Zr48通过调节熔体温度进行应力松弛实验,发现其γ-β松弛动力学存在连续转变,熔体温度显著影响两种松弛的激活能。

  
Xiong Shang|Liang Yang|Wenkang Tu|Shidong Feng|Zijing Li|Li-Min Wang
中国秦皇岛燕山大学亚稳态材料科学技术国家重点实验室先进结构材料中心,邮编066004

摘要

理解和控制非晶合金的松弛动力学对于揭示其独特性质以及推进玻璃态材料的研究至关重要。尽管这一点非常重要,但非晶材料的层次化松弛行为,尤其是那些缺乏显著β松弛的材料,仍然需要进一步阐明。本研究通过在不同熔化温度下制备的Cu52Zr48非晶合金进行应力松弛实验,来探讨这一现象。利用Kohlrausch-Williams-Watts(KWW)方程,我们量化了瞬时异质性因子和松弛激活能。研究结果表明,在应力松弛过程中,从γ松弛到β松弛的动力学存在连续过渡。此外,我们发现熔化温度显著影响了这两种次级松弛的激活能。这项研究成功调控了Cu-Zr非晶合金的松弛动力学,为理解它们的松弛行为提供了新的见解,并扩展了目前关于二元非晶合金层次化松弛的模型。

引言

由于非晶合金具有独特的结构特性(长程无序结构和亚稳态)以及优异的机械和功能性能(通过从高温熔体快速冷却形成),它们已成为凝聚态物理、材料科学和工程学领域的重要研究对象[[1], [2], [3]]。其中一个热点是非晶合金复杂的松弛动力学。在早期的研究中,由于非晶合金简单的刚性结构缺乏旋转自由度,人们认为它们只表现出α松弛(与玻璃转变相关)[4]。随着实验表征和计算机模拟的发展,最近的研究清楚地表明,非晶合金在纳米尺度上表现出异质性,主要特征是复杂的短程和中程有序结构[3,5]。这些结构单元的热机械激发导致机械谱中不同的松弛动力学。例如,除了与大规模原子重排相关的α松弛(主要过程)外,还在各种非晶合金中发现了几种次级松弛现象,包括与局部原子重排相关的缓慢β松弛(Johari-Goldstein松弛,JG)、与类似液体的原子运动相关的快速松弛,以及对应于原子振动的玻色峰等[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。目前,对非晶合金松弛行为的研究主要集中在它们的结构起源及其与材料性能(如物理性能、机械性能)的相关性上[6,12,13]。类似于晶体材料中的结构-性能关系,非晶材料中的松弛-性能相关性对于调节和设计以实现所需的性能具有重要意义[3,6,14,15]。
在已识别的多种次级松弛模式中,缓慢的β松弛(JG-β,作为α松弛的前驱)[12,16]因其与宏观性能(如塑性、磁性和物理稳定性)的关联而具有特殊意义[17]。此外,非晶合金中的β松弛在不同系统中表现出明显差异,例如La基合金中的峰值、Pd基合金中的肩峰以及Cu-Zr基合金中的额外翼峰,这反映了成分调节的影响[3,18,19]。值得注意的是,在我们最近的工作中,通过控制制备过程(即改变熔化温度/熔融状态),在Zr-Ti-Be-Fe非晶合金中诱导出了不同的β松弛峰值/肩峰,同时其物理稳定性也得到了提高[20]。通常,β松弛发生在玻璃转变温度Tg以下(例如约0.8 Tg),而其他快速次级松弛则发生在0.2 - 0.6 Tg的较低温度范围内[5,7]。例如,Küchemann等人[21]在三种不同的非晶合金(Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8、Zr66.5Cu33.5和Pd77.5Cu6Si16.5)中发现了0.26 Tg ~ 0.29 Tg范围内的γ模式。γ松弛是由冷却过程中的原子尺度热应力驱动的,其结构转变所需的能量障碍远低于β松弛。同样,Shao等人[7]在Dy基非晶合金中观察到了明显的β松弛,以及两种快速次级松弛(β′γ),这些松弛都发生在Tg以下。β松弛的强度分别是β′和γ松弛的约6倍和约10倍,而后两种过程的激活能约为β松弛的1/2和1/3[7]。这些观察表明,β′和γ松弛的结构基础比β松弛的要小得多,从而反映了次级松弛模式的层次性。根据势能景观(PEL)理论,外部刺激(如热扰动)可以诱导材料能量状态在各个基团之间的转换,使得从γ/β′模式到β模式的转换成为可能[6]。Gao等人的最新研究表明,在应力松弛过程中,一种基于Fe的非晶合金的γβ的动力学存在连续过渡[22]。虽然这些实验证据支持了理论的合理性,但探索调控层次化次级松弛动力学的途径仍是一个值得深入研究的课题。
对于给定的成分,制备过程中的参数显著影响最终材料的松弛行为[[23], [24], [25], [26]]。特别是熔化温度(熔融状态的指标)对调控非晶合金的形成和性能非常有效,从而导致它们的松弛行为发生变化[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]。作为具有明显液-液相变的典型二元系统,Cu-Zr合金被认为是研究熔化温度与相应非晶性能关系的理想选择[33]。例如,Cui等人[34,35]研究了不同熔化温度下的液态多态性和状态转变对Cu-Zr合金的玻璃形成能力和热稳定性的影响。此外,我们最近对Cu50Zr50系统的研究验证了熔化温度对αβ松弛变化的影响[20]。基于此,本研究选择了在不同熔化温度下制备的非晶Cu52Zr48合金作为模型材料,以探究次级松弛动力学。我们进行了应力松弛实验,研究了γ松弛及其与β松弛的关联,重点关注熔化温度对这两种松弛动力学的影响。我们的发现表明,调节熔融状态是一种有效的方法,可以促进Cu52Zr48γ松弛向β松弛的演变。这有助于推进对次级松弛动力学的理解,并为通过调控次级松弛来调整非晶材料的性能提供了实际指导。

实验程序

使用在不同熔化温度下快速冷却制备的Cu52Zr48非晶合金,研究了熔化温度对γ-β松弛动力学连续过渡的影响。熔化温度是通过安装在铸造带装置内的红外温度计测量的。在样品制备过程中,需要预先设置红外温度计的熔化温度。当合金熔体达到预设温度时,它将立即被

结果与讨论

本研究探讨了熔化温度对Cu52Zr48非晶合金中γ-β松弛动力学连续过渡的影响。考虑到基于Zr的合金熔体在高温下可能会与坩埚发生反应[36],通过电感耦合等离子体(ICP)检测了非晶合金带中的硅含量。从1523 K淬火的玻璃态合金中,硅含量低于0.24 wt.%。非晶合金带中少量的Si表明

结论

本研究通过应力松弛实验研究了Cu52Zr48非晶合金的松弛动力学。利用KWW和Arrhenius方程,我们量化了瞬时异质性因子和松弛激活能,揭示了应力松弛过程中从γβ的连续松弛动力学过渡。我们确定熔化温度是松弛动力学的关键调节因素。在较低熔化温度下制备的合金,

数据声明

支持本研究结果的数据可在文章及其补充材料中找到。

作者贡献声明

Xiong Shang:撰写——原始草稿、方法论、数据整理、概念化。Liang Yang:验证、研究。Wenkang Tu:撰写——审稿与编辑、验证、资金获取。Shidong Feng:撰写——审稿与编辑、资金获取。Zijing Li:撰写——审稿与编辑、验证、监督。Li-Min Wang:撰写——审稿与编辑、资源提供、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号52271154和52271155)、国家重点研发计划(项目编号2018YFA0703602)、河北省科技计划(项目编号236Z2703G)、国家自然科学基金重大科学仪器设备开发项目(项目编号52127808)、河北省****(项目编号E2020050018)以及燕山大学基础研究与创新培养计划的支持
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