金属玻璃自由体积理论的研究概述

金属玻璃具有高强度、高硬度、高弹性应变以及良好的耐腐蚀性,然而,尺寸小、脆性大的缺点严重限制了其广泛应用。自由体积是影响金属玻璃的玻璃转变、塑性变形、结构和性能的关键因素。因此,理清金属玻璃中自由体积理论的发展脉络十分重要。本文首先介绍了自由体积的概念,其次讨论了自由体积与玻璃转变、塑性变形、性能之间的关系,最后总结了自由体积含量的定量化方法。自由体积参与了金属玻璃的玻璃转变和塑性变形等基本过程。由于自由体积处的原子配位数低,与周围区域的机械接合弱,所以在温度或应力的作用下,自由体积处容易发生结构扰动。研究表明,玻璃转变是一个依赖自由体积的动力学过程。当约化自由体积含量达到某一临界值时,开始发生玻璃转变。此外,自由体积理论也被用于解释金属玻璃的塑性变形。在自由体积的协助下,金属玻璃中的原子发生跃迁,进而实现塑性变形。而当自由体积含量达到某一临界值时,宏观变形局域化发生,即产生剪切带。分子动力学模拟、理论计算、透射电镜观察、声发射监测、剪切带热焓测试、密度测量等大量研究结果表明,剪切带上拥有大量的自由体积。自由体积可以通过微合金化、塑性变形、离子束照射、提高冷却速率和降低吸铸电弧功率等多种方式促进产生。一般自由体积含量越高,就会有更多产生剪切带的区域,进而导致多重剪切带产生;同时金属玻璃粘度降低,原子移动能力增加,因此金属玻璃塑性随之增加。由于自由体积处的原子排列疏松,弹性模量较低,所以抵抗变形的能力较弱,因此金属玻璃的强度和硬度将随自由体积含量增加而降低。此外,自由体积还会影响金属玻璃的原子扩散速率和热稳定性等。定量自由体积含量的方法主要有:(1)热分析法。通过计算结构驰豫过程的放热焓来确定自由体积含量。(2)正电子湮没谱。通过检测正电子寿命来确定自由体积含量。(3)密度测量。由于自由体积的引入会导致金属玻璃的密度变化,所以可通过测量密度来确定自由体积含量。(4) X射线衍射法。通过测定X射线衍射谱的最大衍射波矢Q_(max)的变化,确定自由体积的含量。