1.2   非晶合金的形成

本论文提到的非晶合金特指由液态经连续冷却后获得的非晶态物质，其形成过程与氧化物玻璃类似，因此也称作金属玻璃（Metallic Glasses）[13]。

非晶形成理论和晶体形成理论都属于凝固理论范畴，从凝固过程来看，非晶合金的形成过程为：过热熔体→过冷熔体→非晶固体，为了获得非晶态合金，必须抑制过冷熔体→结晶固体和非晶固体→结晶固体过程的发生。过冷熔体→结晶固体的抑制过程主要从非晶合金的形成考虑，而非晶固体→结晶固体过程的抑制主要从非晶合金形成后的稳定性考虑，通常研究非晶合金的形成机理是从非晶固体→结晶固体过程入手进行讨论的。

1.2.1  非晶形成能力

非晶合金的形成能力（Glass Forming Ability，简称 GFA）表征合金熔体快速冷却获得非晶合金的难易程度。不同成分的合金体系，其形成非晶合金的难易程度也有较大差别，例如：Zr-Al-Ni-Cu可形直径为35 mm的棒状块体非晶合金[14]，而Fe-B-Si只能形成几十微米厚的条带非晶合金[15]。

过冷液体发生玻璃化转变需要一定的冷却速度。只有在熔体的冷却速度大于其临界冷却速度（Rc）的时候，才能实现玻璃转变。温度-时间-转变（T-T-T）曲线能更好地解释临界冷却速率Rc和玻璃形成能GFA之间的关系。图1-1示意了传统非晶（薄带等）和块体非晶在不同冷却速度和温度下相转变过程[16]。我们以传统非晶合金为例来说明其转变过程。如果冷却速度足够大，熔体在凝固的过程中，过冷液体结构将被冻结并保持到室温状态，形成非晶态；如果冷却速度过小，熔体的相转变的路径会落入结晶化取，即凝固成晶态。我们把与初始晶化曲线的鼻尖温度相切的虚线的斜率定义为形成非晶的临界冷却速度Rc，即Rc = (Tm-Tn)/tn，式中Tn和tn分别为初始晶化曲线上的鼻尖温度和形核时间。当实际冷却速率高于Rc时，结晶被抑制，形成非晶态；否则，液体将经过晶体相的形成区域，导致结晶的发生。图中可以清晰的看出，块体非晶合金的Rc约为1 K/s，远小于传统非晶的106 K/s量级。Rc越小，合金系的GFA越强。由此可见，临界冷却速度是用来衡量GFA的最有效的参数，适用于描述一切合金系的GFA。然而，尽管Rc的物理意义非常明确，但是直接测量其值是非常困难的，要涉及复杂的设备和过程，一般不容易获得。所以，为了方便表征非晶合金的形成能力，研究者们提出了很多判据，这些判据包含的参量大多可以通过实验手段获得，有利于非晶形成能力的表征。包括临界尺寸（dc）；约化玻璃转变温度：Trg = Tg/Tm，其中Tg为玻璃转变温度，Tm是熔化温度；过冷液相区宽度ΔTx=Tx-Tg，Tx为晶化开始温度；γ参数，等。以上这些参数都是从不同的角度来描述合金的GFA和倾向，对合金设计均具有一定的指导意义。但是这些参数都是定性指标，它们的物理本质和适用性还需要做进一步的研究。所以在实际研究中，目前都是多个参数配合使用来综合评价合金的GFA。

图1-1   非晶形成的TTT曲线和临界冷却速率Rc

Fig.1-1 Time-Temperature-Transition curves and critical cooling rate Rc

1.2.2  非晶的形成机理

液态金属经过降温形成晶体时，首先要发生原子扩散，当液体成分起伏和结构起伏发展到一定条件时，就会形成临界尺寸晶核，然后经过扩散、生长形成晶体。因此只要合金液体不发生形核长大，液体结构就能保存到室温，即形成非晶体。因此，可以说关于抑制合金液体形核长大的理论和机理也就是非晶合金的形成机理。