非晶合金結(jié)構(gòu)演變的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu)是揭示玻璃轉(zhuǎn)變本質(zhì)和理解其優(yōu)異性能的基礎(chǔ),因而成為非晶領(lǐng)域中最基本的科學(xué)問題之一。本文利用分子動力學(xué)(Molecular dynamics,MD)模擬手段,通過對體系的勢能、體積、對分布函數(shù)、鍵對分析、配位數(shù)、原子瞬時構(gòu)型、Voronoi多面體、均方位移與擴(kuò)散系數(shù)等信息進(jìn)行系統(tǒng)分析,研究了金屬及合金液-固轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)演變和非晶結(jié)構(gòu)的中短程局域結(jié)構(gòu)及原子堆垛機(jī)制,并對非晶在等溫及連續(xù)升溫晶化過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與原子運(yùn)

2、動機(jī)制進(jìn)行了深入分析。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴為了獲得研究熔體凝固過程所需要的初始液態(tài)構(gòu)型,首先采用MD模擬了金屬Ni,Al及合金Ni75Al25升溫熔化過程,并獲得了可靠的熔體結(jié)構(gòu)。為了研究冷卻速率對凝固過程中結(jié)構(gòu)演變及室溫結(jié)構(gòu)的影響,對熔體在不同冷卻速率下的凝固過程進(jìn)行了MD模擬。結(jié)果表明,在一定冷卻速率下可獲得具有一維(1D),二維(2D)周期性的準(zhǔn)有序過渡結(jié)構(gòu),這些過渡結(jié)構(gòu)由一系列相互平行的具有面心立方(fcc)和密

3、排六方(hcp)結(jié)構(gòu)的密排面構(gòu)成。
　　 ⑵運(yùn)用對分布函數(shù)、鍵對、配位數(shù)及Voronoi多面體等分析方法,對Ni和Al非晶形成過程中的結(jié)構(gòu)演變與非晶金屬中的短/中程局域有序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在4×1013K/s冷速下MD模擬得到的非晶態(tài)Ni的玻璃轉(zhuǎn)變溫度與對分布函數(shù)曲線與已報道的實驗值符合較好:Voronoi分析表明,非晶態(tài)Ni中二十面體團(tuán)簇占主導(dǎo)地位,二十面體短程序通過共點、共線、共面、嵌套四種基本連接方式擴(kuò)展成二十面體中程

4、序(IMRO)。由于二十面體具有與晶體對稱性不相容的五次對稱特征,二十面體的大量存在使過冷液體更加穩(wěn)定,抑制結(jié)晶的發(fā)生,從而有利于非晶的形成。而以5×1012K/s冷速獲得的非晶態(tài)Al中除二十面體團(tuán)簇外還存在著大量具有畸變體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇,畸變的bcc團(tuán)簇相互連接,構(gòu)成bcc類型的中程序。由于bcc結(jié)構(gòu)的對稱性與fcc結(jié)構(gòu)相近,這些bcc類型中程序比IMRO更容易轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc-Al晶體。
　　 ⑶用對分布函數(shù)分析Ni

5、75Al25,Zr66.7Ni33.3,Cu50Zr50二元非晶合金的形成過程,冷至300K時各原子對間的偏對分布函數(shù)和總對分布函數(shù)曲線第二峰均發(fā)生劈裂,表明非晶結(jié)構(gòu)的形成;液固轉(zhuǎn)變過程中不同原子對之間的偏對分布函數(shù)曲線開始發(fā)生劈裂的溫度不盡相同。熔體和非晶中異類原子間的偏對分布函數(shù)曲線強(qiáng)度最高,表明異類原子間的相互作用較強(qiáng),與Warren-Cowley化學(xué)短程序參數(shù)分析結(jié)果相一致,三種非晶合金中異類原子之間的化學(xué)吸引作用較強(qiáng)。

6、　　 ⑷用鍵對和Voronoi多面體分析方法對上述三種非晶合金形成過程中的結(jié)構(gòu)演變、非品的局域結(jié)構(gòu)及原子堆垛機(jī)制進(jìn)行了深入研究。鍵對分析表明,非晶合金形成過程中1551,1541,1431鍵對占主導(dǎo)地位。在三種合金中,這三種鍵對數(shù)量隨溫度的變化規(guī)律一致,即:1551,1541鍵對的數(shù)量隨溫度降低而單調(diào)升高,1431鍵對數(shù)量在液固轉(zhuǎn)變過程中數(shù)量先升高后降低。Voronoi多面體分析顯示,組元原子半徑差較小的Ni75Al25非晶合金中以N

7、i原子為中心的配位體以二十面體為主,而以Al原子為中心的配位環(huán)境中二十面體與畸變bcc團(tuán)簇共存。對于組元原子半徑差較大的Cu50Zr50非晶合金,以Cu原子為中心的配位體主要為配位數(shù)較少的Bernal多面體和二十面體結(jié)構(gòu),而以Zr原子為中心的幾何近鄰主要為配位數(shù)較多的畸變二十面體和Frank-Kasper多面體結(jié)構(gòu)。
　　 ⑸利用MD模擬研究了熔體Ni,Al,Ni75Al25在慢速冷卻結(jié)晶過程與非晶Ni等溫及連續(xù)升溫晶化過程由無

8、序到有序的結(jié)構(gòu)演變,闡明了由無序結(jié)構(gòu)到三維有序晶體結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及原子運(yùn)動機(jī)制。其有序化過程的演變順序為:長程無序結(jié)構(gòu)—1D周期性有序結(jié)構(gòu)—2D周期性有序排列—3D周期性晶體結(jié)構(gòu)。該結(jié)果證實了以前的實驗觀察。
　　 ⑹在現(xiàn)有計算自由體積方法的基礎(chǔ)上,通過計算非晶合金中實際自由體積與球狀自由體積的比值得到了修正球狀自由體積的形狀修正因子。從原子尺度上計算了Zr66.7Ni33.3非晶形成過程中自由體積的變化,得到球狀自由體積的形狀