非晶态合金是一类重要的新材料

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1、非晶态合金是一类重要的新材料。人们主要通过两种手段：克服外界条件而维持其非晶态以及合理控制其晶化过程来体现非晶合金的优异性能。同如火如荼的非晶结构、功能材料的开发利用相比，目前有关非晶晶化、纳米化及纳米材料热稳定性的相变热力学及动力学方面的基础研究稍显逊色。作者近几年有关固态相变基础理论的研究工作便是围绕非晶晶化及纳米材料热稳定性展开的。形核/生长类固态相变包括形核、生长及碰撞三个相互重叠的子过程。假设碰撞遵循不涉及成分变化的硬碰撞（hardimpingement）机制，则上述三个子过程可单独进行建模分析。本文首先对近年来提出的确定相变动力学参数包括生长指数和总有效激活能的数值和解析方法进行了

2、阐述。随后，综合考虑实际相变同经典理论在形核、生长及碰撞方面的偏差，如中间形核方式、长程扩散以及非随机晶核分布和各向异性生长等，提出并建立了适用于不同形核及生长方式控制的等温和等加热速率转变的解析相变模型。该模型的实质是等动力学理论的扩展。动力学参数在传统等动力学理论中的确定方法在该解析模型中被验证仍然有效可靠，但却依赖于时间或温度而变化，并可演化成同转变分数相关。只有当转变过程由连续形核和位置饱和等极端方式控制时，解析相变模型退化为经典JMA动力学。本文从该解析模型动力学参数的转变分数依赖性出发，提出了能直接用以确定控制转变机制而无需数学拟合的解析方法。将解析模型用于非晶合金的晶化过程，通过

3、对其达到最大转变速率处动力学条件的分析以及所得动力学参数随转变分数、转变温度（等温转变）或加热速率（等加热速率转变）演化规律的评价，可以精确得到控制晶化过程的形核、生长、碰撞方式，以及单独的、不变的形核和生长激活能。固态相变包括形核、长大及碰撞三个相互重迭的子过程。假设碰撞遵循不涉及成分变化的硬碰撞（hardimpingement）机制，则上述三个子过程可单独建模分析。基于此，针对等温转变和等加热速率转变，本文首先对近年提出的确定相变动力学参数的数值和解析方法进行了阐述。随后，综合考虑形核、生长、及硬碰撞，提出并建立了适用于混合形核和Avrami形核及接口控制和扩散控制生长方式控制的等温和等加

4、热速率转变的解析相变模型。该模型中，动力学参数同转变分数相关。只有当转变过程由连续形核和位置饱和等极端方式控制时，该解析相变模型退化为经典JMA动力学。利用该模型对Pd40Cu30P20Ni10等非晶合金晶化的分析结果，可以精确得到控制结晶过程的形核和生长方式，以及单独的、不变的、形核和生长激活能。在此基础上，分析了预等温加热处理对随后晶化过程的影响。1.非晶晶化动力学解析模型1.1引言及理论背景固态相变作为由形核、生长、及碰撞共同控制的一种等温或不等温过程，将影响甚至控制材料的最终组织和性能，是十分重要的过程[1-8]。因此，精确描述固态相变过程、深入理解其相变机理，成为当务之急。人们在建立

5、准确的解析相变动力学模型中做了相当的工作。1939年，Johnson，Mehl和Avrami针对以随机晶核分布、极端形核方式、及各向同性生长为基础的等温转变提出了著名的JMA动力学解析相变模型[1-4,12]。但JMA模型只是针对位置饱和及连续形核的极端形核方式，因此动力学参数：即生长指数n、有效总激活能Q及指数前因子K0在转变过程中保持恒定。然而不等温转变及中间形核方式常常发生，即JMA模型的前提条件已失去，但前人仍旧立足于JMA模型，认为n、Q及K0在转变过程中保持恒定，并在此基础上提出了等动力学理论[13,14]。立足于JMA模型，通过提出热历史相关的路径变量b，即考虑温度-时间图中所给

6、出的实际转变路径，将转变分数表示为[6]：（1-1）式中，β=∫K(T(t))dt，K为速率常数，并可表示为如下Arrhenius关系：该模型实现了等温和不等温转变在解析上的统一（见式（1-1）），并且首次将有效激活能Q表示为生长指数n和独立于转变时间及温度的形核及生长激活能QN和QG的函数[6]：（1-2）式中，m是生长方式参数（m=1对应界面控制生长，m=2对应扩散控制生长），d为生长维数(d=1,2,3)。然而该模型依旧无法描述动力学参数n和Q不断变化的转变过程。在这样的理论背景下，我们综合考虑各种形核（混合形核和Avrami形核）、生长（界面及扩散控制生长）、及碰撞方式，提出了动力学参

7、数与转变时间（等温）和转变温度（等加热速率）相关，适用于等温和等加热速率转变的解析相变模型[9-10]，并利用该模型对实际非晶合金的晶化进行拟和，可确定控制结晶过程的形核和生长方式。1.2理论基础1.2.1形核、生长、及碰撞根据经典形核理论，在大过冷度下，单位体积母相体系的形核率主要取决于原子通过新/母相界面的跃迁频率，对等温转变和等加热速率转变都可表示为如下Arrhenius关系[9,15,16