两种表征液态金属快凝微结构方法的比较

摘要

金属玻璃是一种具有金属、玻璃、固体及液体特性的新型金属材料。它有优良的力学、化学、物理特性，在许多领域都有广泛的应用。由于材料的性能决定于其内在的局域原子结构，因此，澄清金属玻璃的微观结构与其宏观属性的内在关系是理解金属玻璃性能的关键。与晶态材料相比，金属玻璃的微观结构具有长程无序和短程有序的特点，因此，要深入理解金属玻璃的各种性能，其前提是要采用合适的微结构表征方法来描述其局域原子结构。为此，本文对金属银的快速凝固过程进行了分子动力学(MD)模拟，系统分析比较了VPIM和CTIM两种方法在表征基本团簇方面的关联与差异，并讨论了这两种表征方法在进行微结构表征时各自的优缺点。
　　本文具体开展了如下工作:
　　(1)采用MD模拟了液态金属银的快凝过程，结合原子平均能量随温度的变化趋势和双体分布函数，结果表明:在冷却速率为5×1013K/s和5×1011K/s下的玻璃转变温度和结晶温度分别为757K和726K。通过H-A键对分析发现:在冷速β=5×1013K/s下，体系形成以1551、1541、1431为主体的特征H-A键型;在冷速β=5×1011K/s下，体系得到以1421、1422为主体的特征H-A键型。采用VPIM和CTIM表征时发现:在非晶体系中，由VPIM和CTIM表征的规则二十面体的比例均非常小，而缺陷和变形二十面体的比例比较大;在晶体体系时，CTIM不但能够精确地区分出面心立方(fcc)和六角密堆(hcp)团簇。VPIM无法区分fcc与hcp团簇。此外，在晶态和非晶态两种体系中，由CTIM表征的团簇类型比VPIM表征的多，大量的团簇类型虽然有助于研究微观结构的演化规律，但不利于体系的团簇类型统计和结构分析。
　　(2)采用原子编号(ID)跟踪方法发现:CTIM团簇与VP团簇存在交叉对应关系。配位数为Z的VP团簇有可能对应配位数为(Z+1)甚至(Z+2)的CTIM团簇。VPIM的超微表面近似化处理，有可能导致团簇类型的误判。采用去超短边的处理的VPIM，可有效消除组态原子的热振动，提升典型团簇的类型识别度。
　　总之，在表征团簇结构方面，CTIM较之VPIM，能更准确地表征不同局域结构环境下原子的团簇属性，尤其有利于区分fcc与hcp这两种不同的原子密堆积模式，以及在非晶或准晶中寻找含五次对称元素的二十面体原子团。但是，在结构表征以及确定体系的特征团簇类型方面，较之VPIM，CTIM团簇的多种类及高分散度，对大尺寸模拟体系表征时，是一个明显的不利因素。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 液态金属和非晶合金固体的结构特征

1．3 液态金属和非晶合金的结构模型

1．3．1 微晶结构

1．3．2 无规密堆硬球模型

1．3．3 团簇密堆模型

1．3．4 连续无规网络模型

1．4 快凝过程的计算模拟应用

1．5 非晶合金的微结构分析方法发展现状

1．5．1 双体分布函数

1．5．2 H-A键型指数法

1．5．3 角分布函数

1．5．4 原子团类型指数法

1．5．5 Voronoi多面体指数法

1．6 本文研究目的及主要内容

第二章 分子动力学模拟及微结构表征分析

2．1 分子动力学模拟方法

2．1．1 分子动力学的基本原理

2．1．2 初始条件

2．1．3 周期性边界条件

2．1．4 势函数

2．1．5 等温等压系综

2．1．6 LAMMPS程序

2．2 微结构表征方法

2．2．1 原子团类型指数法

2．2．2 Voronoi多面体

第三章 液态金属银凝固过程的微结构表征

3．1 前言

3．2 金属凝固过程的MD模拟

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 系统能量

3．3．2 金属银的双体分布函数

3．3．3 H-A键对分析

3．3．4 局域原子结构的表征

3．4 本章小结

第四章 VPIM团簇与CTIM团簇的比较

4．1 前言

4．2 VPIM团簇与CTIM团簇的对应关系

4．3 VP团簇与CTIM团簇的配位分布

4．4 VPIM与CTIM在团簇表征上的关联与差异

4．4．1 H-A键型与VP表面间的关系

4．4．2 VP面形状对团簇类型的影响

4．4．3 VPIM参数修正引起的原子配位数改变

4．4．4 ICO团簇与类ICO团簇的构型关联性

4．4．5 CTIM与VPIM标定团簇间的关联与区别

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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