快凝条件下液态Cu-Zr合金团簇结构遗传与演化特性的模拟研究

摘要

非晶合金的玻璃形成能力与其熔体局域原子结构有着内在的、直接的联系。因此，研究快凝条件下液态合金中团簇结构的遗传与演化特性，不仅可以加深对玻璃转变现象的认识，还有助于从结构的角度理解玻璃形成能力。为此，本文采用分子动力学方法，模拟研究了不同条件下液态Cu-Zr合金的快速凝固过程;运用双体分布函数、Honeycutt-Andersen(H-A)键型指数、扩展原子团类型指数(CTIM)等方法对系统的微结构特征进行了表征和分析;进一步采用原子轨迹逆向跟踪方法探究了快凝合金液体和过冷液体中团簇结构的遗传与演化特性，揭示了团簇结构遗传性与玻璃形成能力间的内在关系。本文的主要研究内容如下:
　　采用Finnis-Sinclair(F-S)多体势，首先模拟研究了液态Cu50Zr50合金在5K/ns冷速下的快速凝固过程。结果表明:合金液体和快凝固体中主要的原子组态是(1212/1551)规则二十面体和(128/15512/15412/1431)缺陷二十面体，它们中比例最高的均是以Cu原子为中心的Cu6Zr7原子团，其次为Cu7Zr6和Cu8Zr5团簇。由(1212/1551)规则二十面体基本团簇以穿透共享模式铰链形成的二十面体中程有序的尺寸分布在液相和玻璃固相中分别呈现出13，19，23,…和13，19，23，25，29，37，…的幻数特征。团簇的演化与跟踪分析发现:没有任何团簇能从液体直接遗传到固态玻璃合金，二十面体团簇遗传的起始温度Tonset位于Tm～Tg过冷液相区。二十面体团簇的遗传以完全和直接遗传为主，其遗传分数fi在Tg附近显著增加。在Tg以下，(1212/1551)规则二十面体团簇的完全遗传分数fp远高于其核遗传分数fc与碎片遗传分数fs。相对于(128/15512/15412/1431)缺陷二十面体，(1212/1551)规则二十面体具有更高的结构稳定性和更强的结构遗传能力，但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分不变。通过部分遗传，某些二十面体中程有序也能够从过冷液体中被遗传到玻璃合金。
　　进一步研究了不同冷速和压力条件下快凝Cu56Zr44合金中二十面体团簇的遗传特性及其与玻璃形成能力间的关系。随着冷速增加，约化玻璃转变温度Trg随着(l)gγ线性上升，但二十面体的团簇化程度降低，特别是在300K～Tg温度区间。提高γ不仅可以增加Tg以上的fp和fs，而且Tonset也会随之升高。当γ＞105K/ns时，(1212/1551)规则二十面体团簇的结构遗传甚至可以出现在Cus6Zr44合金的液相区。压力P对二十面体团簇的遗传行为和可遗传能力也有显著的影响。随着P的增加，不仅Tonset会随之升高，而且Tg以上温度区间的fi也显著增加，特别是fp。依赖于P的玻璃形成能力可以用相对遗传起始温度△Tc和约化遗传过冷度Ks来近似地估计。
　　最后本文系统地研究了液态CuxZr100-x合金快速凝固过程中二十面体团簇结构遗传性与玻璃形成能力间的关系。结果发现:二十面体团簇，特别是二十面体中程有序对CuxZr100-x金属玻璃的形成起主要作用。二十面体团簇的遗传性是快凝CuxZr100-x合金的固有属性，但Tonset仅出现在Tm～Tg过冷液相区。以过冷液体中遗传而来的二十面体团簇作为参考，发现过冷液体中的二十面体中程有序到快凝固体的直接和连续遗传与CuxZr100-x玻璃合金的形成密切相关。遗传的相对数量fcore(T)和fatom(T)不仅是玻璃转变的度量，而且300K的数值fcore(300K)和fatom(300K)可以用来大致地估计快凝过程中CuxZr100-x合金玻璃形成能力随Cu浓度x的变化。选择Tonset与临界转变温度Tc的差分作为评估参数，发现它们的局域最大值与实验上具有最佳玻璃形成能力的合金有很好的成分对应关系。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 快速凝固的基本原理和组织特征

1．2．1 快速凝固基本原理

1．2．2 快速凝固的组织特征

1．3 液态及非晶态合金的结构特征和结构模型

1．3．1 液态及非晶态合金的结构特征

1．3．2 非晶态合金的结构模型

1．4 非晶合金的玻璃形成能力判据

1．4．1 约化玻璃转变温度

1．4．2 共晶点准则

1．4．3 过冷液相区宽度

1．4．4 γ参数

1．4．5 Inoue的三个经验准则

1．4．6 Angell脆度参数m

1．4．7 多元短程序畴过冷判据

1．5 快速凝固过程的计算机模拟

1．6 Cu-Zr非晶态合金的研究进展

1．7 本文研究目的及主要内容

第2章 分子动力学模拟及微结构表征方法

2．1 分子动力学模拟方法

2．1．1 基本原理

2．1．2 初始条件

2．1．3 周期性边界条件

2．1．4 嵌入原子势

2．1．5 等温等压系综

2．1．6 LAMMPS简介

2．2 微结构表征方法

2．2．1 双体分布函数

2．2．2 H-A键型指数法

2．2．3 原子团簇类型指数法

2．2．4 基本原子团分析法

2．2．5 原子轨迹逆向跟踪法

2．3 本章小结

第3章 二十面体团簇的遗传与演化特性

3．1 引言

3．2 模拟条件与方法

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 系统能量

3．3．2 微结构分析

3．3．3 二十面体基本团簇的遗传与演化

3．3．4 二十面体中程有序的遗传与演化

3．4 本章小结

第4章 冷速对二十面体团簇结构遗传与团簇化的影响

4．1 引言

4．2 模拟条件与方法

4．3 结果分析与讨论

4．3．1 约化玻璃转变温度Trg

4．3．2 H-A键型分析

4．3．3 基本原子团簇分析

4．3．4 二十面体中程有序的团簇化

4．3．5 二十面体团簇的遗传性

4．3．6 二十面体团簇遗传与玻璃形成能力的关联

4．4 本章小结

第5章 压力对二十面体团簇结构遗传性与演化的影响

5．1 引言

5．2 模拟条件和方法

5．3 结果分析和讨论

5．3．1 双体分布函数

5．3．2 约化玻璃转变温度Trg

5．3．3 H-A键型指数

5．3．4 二十面体团簇与玻璃转变

5．3．5 二十面体团簇的遗传性

5．3．6 二十面体团簇遗传性与玻璃形成能力的关联

5．4 本章小结

第6章 二十面体团簇遗传性与CuxZr100-x合金玻璃形成能力的关联

6．1 引言

6．2 模拟条件与方法

6．3 结果分析与讨论

6．3．1 玻璃合金的质量密度

6．3．2 二十面体短中程有序的演化

6．3．3 二十面体团簇的原子堆积密度

6．3．4 二十面体团簇的遗传性及其与玻璃形成能力的关联

6．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 读学位期间发表的论文、参与的科研项目以及学术会议