液态金属及遗传性

液态金属（又称为非晶合金、金属玻璃）是材料发展史中一个重要的里程碑。与传统的金属材料不同，液态金属突破了传统金属几千年来化学成分和拓扑结构的有序主导，兼具金属和非晶、固体和液体的特性，是颠覆性的新一代高性能金属材料。由于具有独特的结构与优异的性能，以及其独有的净成型简单绿色工艺，液态金属在能源、信息、国防、医疗、交通等高新技术领域均有重要的应用。几十年来，非晶合金的基础理论研究和制备工艺都取得了巨大进步，液态金属作为一种极具应用前景的结构材料和功能材料，正在逐渐由实验室走向商业应用，推动科技发展。
非晶合金的本质即冻结的金属液体，关键在于“液”字。非晶合金与其母相——液体结构存在极其相似性，它们之间结构的遗传和变异共同决定了其固体的性质和性能。因此，如何调控液体成分、稳定液体结构、有效克服晶化，是非晶材料领域最重要的科学问题。目前，这一问题已影响了高性能非晶合金产品的应用和创新，限制了其在高端制造、智能电网、智能机器人、航空航天等领域的有效推广应用。液态金属本质，特别是其本质特征、动态演变规律、液固遗传性等关键问题已经成为解决非晶合金产业中诸多“卡脖子”难题的关键。对液态到非晶固体相关凝固规律的认识，对促进非晶合金新材料的广泛应用以及相关应用行业的快速效能升级具有重要作用。
本书依托于山东大学材料液固结构演变与加工重点实验室的部分研究成果，结合作者团队与企业合作的实践经验，体系化地介绍了非晶固体、液体的本征特性，液体的动力学演变规律及其内在结构来源，形成以“共性与特性”“固体与液体”“遗传与变异”为基础的非晶合金知识架构。本书可为我国未来大块非晶的设计和生产提供重要参考，并为玻璃转变提供系统的合金非晶化凝固规律，具有重要的学术价值和应用价值。
本书在系统介绍国内外关于液态金属的本质特征和本征结构的基础上，进一步详细阐述了目前液态金属以及遗传性研究的研究成果。全书共分为6章，以液态金属（非晶合金）为切入点，详细介绍了合金熔体在整个降温过程中动力学演变规律、热力学性质和结构根源，并从非晶合金与传统晶体合金的竞争关系中介绍了合金熔体性质与固体性质的液固遗传性规律。在编著过程中，我们注重对所涉及理论的深入分析和阐述，希望能够使读者对非晶合金的理论体系有一个比较完整的了解。同时，本书内容与山东大学材料液固结构演变与加工重点实验室的特色紧密结合，以便给读者提供一些当前国内外在该领域的最新科研成果和相关的普适性规律，便于材料相关专业本科生和研究生专业课的拓展和深入。
本书的撰写受到了中国科学院物理研究所汪卫华教授、丹麦奥尔堡大学岳远征教授的大力支持。本书第1章由山东大学王峥编写，第2章第一部分由北京计算科学研究中心管鹏飞教授编写，第2章第二部分由烟台大学孙启敬编写，第3章由安徽工业大学任楠楠编写，第4章由山东大学白延文编写，第5章由中国科学院物理所楚威编写，第6章由山东大学胡丽娜编写。全书由胡丽娜组织统稿并担任主编。感谢翟雪婷、刘敏、史禄鑫、丁奕均、王玲玲、孟森宽、李鹭、石飞龙、朱瑞松的帮助和校正。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中若有不当之处，敬请读者批评指正。

编著者

液体如何演变成非晶态物质这一问题被列为2020年SCIENCE杂志的top 100问题之一。与此密切相关的液态金属的性质及非晶（或纳米晶）固体中的信息遗传是目前凝聚态物理领域的研究热点之一，也是材料基因工程的重要组成部分。本书首先从非晶合金固体最典型的性质出发，系统介绍了其制备方法、结构模型、典型特征、本征行为等，帮助读者把握非晶态合金固体的性质和特点。在此基础上，本书进一步详细介绍了液态合金在凝固过程中的普适性规律和特殊规律，其中包含了动力学、结构、热力学性质的演变特点，介绍了液态金属在冷却过程中形成非晶或晶体固体的竞争规律，描述了金属材料的液体特性及液固遗传性。本书不仅可作为材料和物理相关研究人员的指导书籍，帮助其掌握液态金属演变及关键遗传信息等学术进展，还可作为材料加工专业本科生基础课程的补充教材，弥补传统教材仅限于固态合金的不足。

胡丽娜，1979年生，山东大学教授、博导、山东大学铸造所副所长。2006年获山东大学工学博士学位。自2004年一直从事非晶合金液体遗传性的研究，围绕金属玻璃液体复杂行为与玻璃固体性质的遗传性规律等科学问题。

第1章　非晶合金001
1.1　非晶合金002
1.2　非晶形成能力006
1.3　非晶合金的结构009

第2章　非晶合金的本征特性015
2.1　非晶合金的不均匀性016
2.1.1　静态不均匀性018
2.1.2　动态不均匀性021
2.1.3　非晶合金不均匀性的调控及应用030
2.2　非晶合金的弛豫034
2.2.1　弛豫模式034
2.2.2　弛豫与非晶合金物性的关联049

第3章　非晶合金液体的动力学普适性规律055
3.1　非晶合金液体的弛豫特征056
3.2　非晶合金液体的动力学非均匀性058
3.3　T A 处的非阿伦尼乌斯转折062
3.4　T A 标度实现τα（T） 和动力学非均匀性的普适描述070

第4章　液态金属的液液相变077
4.1　液液相变的定义078
4.2　单质金属熔体的液液相变080
4.3　大块非晶合金熔体的液液相变083
4.3.1　CuZr 大块非晶合金熔体中的异常黏度下降084
4.3.2　CuZr 二元合金的热力学行为088
4.3.3　CuZr 合金发生液液相变的成分范围089
4.3.4　CuZr 异常黏度变化现象的微观解释092
4.4　边缘合金熔体的液液相变100
4.4.1　Fe-S-i B-Nb 和 Fe-Cu-S-i B-Nb 金属玻璃熔体的动力学行为100
4.4.2　含稀土元素的铁基金属玻璃形成液体的动力学行为107
4.4.3　玻璃形成液体的动力学性质转折与玻璃形成能力关系探究113

第5章　液态金属的强脆转变120
5.1　稀土基金属玻璃液体中的强脆转变特征122
5.2　CuZr 基合金液体的强脆转变特征126
5.3　强脆转变在CuZr 基金属玻璃固体中的体现131
5.4　金属玻璃液体中强脆转变与弛豫的本质根源137
5.5　金属玻璃液体中强脆转变过程中的结构变化144
5.6　强脆转变与液液相变的联系150
5.7　强脆转变现象的原子激活模型152

第6章　金属玻璃的液固遗传性162
6.1　过热熔体的脆性和玻璃形成能力163
6.2　过热脆性和过冷脆性168
6.3　液液相变和玻璃形成能力171
6.4　液液相变、强脆转变和弛豫行为181
6.5　强脆转变和晶化行为187
6.6　强脆转变与玻璃塑性191
6.7　液液相变对金属玻璃力学性质的影响193
6.8　强脆转变和液液相变的关系198

参考文献200

液体如何演变成非晶态物质这一问题被列为2020年SCIENCE杂志的top 100问题之一。与此密切相关的液态金属的性质及非晶（或纳米晶）固体中的信息遗传是目前凝聚态物理领域的研究热点之一，也是材料基因工程的重要组成部分。本书首先从非晶合金固体最典型的性质出发，系统介绍了其制备方法、结构模型、典型特征、本征行为等，帮助读者把握非晶态合金固体的性质和特点。在此基础上，本书进一步详细介绍了液态合金在凝固过程中的普适性规律和特殊规律，其中包含了动力学、结构、热力学性质的演变特点，介绍了液态金属在冷却过程中形成非晶或晶体固体的竞争规律，描述了金属材料的液体特性及液固遗传性。本书不仅可作为材料和物理相关研究人员的指导书籍，帮助其掌握液态金属演变及关键遗传信息等学术进展，还可作为材料加工专业本科生基础课程的补充教材，弥补传统教材仅限于固态合金的不足。

胡丽娜，1979年生，山东大学教授、博导、山东大学铸造所副所长。2006年获山东大学工学博士学位。自2004年一直从事非晶合金液体遗传性的研究，围绕金属玻璃液体复杂行为与玻璃固体性质的遗传性规律等科学问题。