金屬玻璃形成機(jī)理與成分設(shè)計(jì)方法的理論研究.pdf

1、金屬玻璃又稱(chēng)作非晶態(tài)材料，是在液態(tài)熔融金屬狀態(tài)下，通過(guò)急速冷卻技術(shù)得到的非晶態(tài)金屬或者合金，因其結(jié)構(gòu)與玻璃類(lèi)似而得名。金屬玻璃的結(jié)構(gòu)與一般金屬材料存在顯著不同，因此在力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等多方面都有著獨(dú)特的優(yōu)良性質(zhì)，能夠廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的產(chǎn)品，是各國(guó)近年來(lái)積極研究開(kāi)發(fā)的新型材料之一。金屬玻璃的形成過(guò)程是液體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和晶化動(dòng)力學(xué)相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。一方面，熔體性質(zhì)尤其是過(guò)冷液體的性質(zhì)對(duì)金屬玻璃的形成具有重要的影響。具有穩(wěn)定局域原子結(jié)構(gòu)的過(guò)冷液

2、體能夠有效降低晶化驅(qū)動(dòng)力。另一方面，晶化動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為是過(guò)冷液體中玻璃轉(zhuǎn)變的控制因素。根據(jù)經(jīng)典形核理論，形核率主要由合金原子的擴(kuò)散率控制。粘度較大的液體具有較高的穩(wěn)定性和較好的玻璃形成能力。目前關(guān)于金屬玻璃的理論還很不完善，揭示金屬玻璃形成規(guī)律以及提出有效金屬玻璃成分設(shè)計(jì)方法的是金屬玻璃研究的重要領(lǐng)域。
　　本研究擬通過(guò)結(jié)合第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)和相圖等理論方法研究金屬玻璃的形成機(jī)理，影響金屬玻璃形成能力的因素，并探索多組元大塊金屬

3、玻璃的成分設(shè)計(jì)方法。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)利用第一性原理和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法研究純金屬在快速冷卻條件下相轉(zhuǎn)變與冷卻速度之間的關(guān)系;研究金屬過(guò)冷液體中局域團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在晶化過(guò)程中從非晶團(tuán)簇到晶體團(tuán)簇的轉(zhuǎn)變路徑。并從形核路徑角度評(píng)估具有不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬在快速冷卻條件下結(jié)晶的難易程度。
　　(2)基于第一性原理分子動(dòng)力學(xué)，提出一種精確計(jì)算含有鐵磁性過(guò)渡金屬元素的合金液體熱力學(xué)性質(zhì)的方法，對(duì)熱力學(xué)性質(zhì)給出嚴(yán)格的物理

4、描述。并且準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同溫度下與成分有關(guān)的Al-Fe合金的熱力學(xué)性質(zhì);利用第一性原理和德拜熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)亞穩(wěn)狀態(tài)下M23C6（M代表過(guò)渡金屬元素）化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱力學(xué)性質(zhì)。
　　(3)基于第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法研究Ce元素對(duì)Al-Fe合金在過(guò)冷液態(tài)和玻璃態(tài)下的熱力學(xué)性質(zhì)，動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的影響，并且探討Ce元素對(duì)Al-Fe合金玻璃形成能力的增強(qiáng)機(jī)理;基于第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法研究不同溶度的溶質(zhì)元素（B和Y）對(duì)Fe-B-

5、Y合金在過(guò)冷液態(tài)和玻璃態(tài)下的熱力學(xué)性質(zhì)，動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和原子結(jié)構(gòu)的影響，并且預(yù)測(cè)Fe-B-Y合金體系中具有最佳玻璃形成能力的成分范圍。
　　(4)利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法研究不同初晶相對(duì)Zr-Ni合金在快速冷卻條件下相變過(guò)程的影響，從熱力學(xué)性質(zhì)，動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及原子結(jié)構(gòu)方面揭示影響Zr-Ni合金玻璃形成能力的主要因素。
　　(5)分析不同晶體相在Fe基合金中析出的難易程度，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)總結(jié)Cr、Mn、Mo、Co、Ni、Cu、V、