金属锆及硅合金液态和玻璃态微观结构和动力学性质研究

摘要

本文利用第一性原理分子动力学方法结合部分实验结果对金属锆及硅合金液态和玻璃态微观结构进行系统分析。论文包括三个部分：Zr金属液体和过冷液体微观结构研究、Cu80Si20，合金微观结构和动力学性质研究、Sr的加入对于Al88Si12合金的微观结构和玻璃形成能方的影响。
　　 Zr是已知的容易形成大块金属玻璃的合金元素之一，Zr和Cu的二元合金是二元合金中玻璃形成能力最强的。虽然传统的理论预言任何金属，只要冷却温度足够大，都可以形成金属玻璃，然而对于单质金属是否形成玻璃态的研究存在争议，实验上包括Zr在内的诸多金属单质尚未发现玻璃的产生。本文使用原子团簇校正法对Zr进行计算。经过团簇自校正后，在液态条件下(2500、2400、2290和2135 K)，没有发现明显的有序性，说明高温下体系存在多种短程有序结构。当温度降低到熔点(2128 K)以下，在1830 K时，原子团簇自校正的结果为较为明显的体心立方相。这意味着体心立方很有可能已经占据主要作用，而尚不能排除其它短程有序结构的存在及其所占的比例。通过团簇自校正，在2135和1830K两个温度下，将分子动力学模拟的整个过程(6 ps)分为10个时间段，每个时间段为0.6 ps。不同时间段的校正结果表明，在2135 K时，体系在不同的时间段表现出二十面体或者体心立方，而二十面体稍多一些；在1830 K时，出现体心立方的次数明显变多。上述结果表明，在分子动力学过程中，出现体心立方和二十面体结构相竞争的关系，彼此之间存在起伏。由于体心立方结构是Zr晶体的高温相，其出现阻碍了二十面体抑制结晶的过程，从而无法发生玻璃转变，从理论上首次解释了单质元素Zr不能形成金属玻璃的原因。
　　 Cu-Si二元合金在20％Si原子比例时接近共晶点，并且在熔点附近存在较复杂的晶体结构，因此对于Cu80Si20金属合金液体的微观结构和动力学性质的研究不仅可以填补该方面的空缺，并且有助于增强对合金液体结构与金属玻璃微观结构的联系。
　　 本工作通过X射线衍射和分子动力学模拟研究了Cu80Si20合金金属液体和金属玻璃的微观结构和动力学性质。在液态中，随着温度降低，体系中的类二十面体结构不断增加，而其它晶体团簇短程有序结构则不断减少。通过Voronoi切割法得到的团簇中，Si为中心的团簇配位数较小。此外，通过原子团簇校正法找到的面心立方团簇主要是以Cu为中心，其原因在于Cu自身具有结晶的倾向，而原子半径较小的Si的加入填补了空间中的空隙，抑制整体结晶的趋势。金属玻璃中，经过快速冷却，得到室温(300 K)下的Cu80Si20样品。相比于液态合金，此时计算得到的对关联函数表现出玻璃的特性，峰更加尖锐，第二峰出现明显的肩峰。而相比之下，Honeycutt-Andersen指数得到的155指数的比例占据了绝大部分，代表密堆积结构的指数142都下降至5％以下。Voronoi切割法是另一种表征体系短程有序结构的方法，在这种方法中，(0，0，12，0)表征的是标准二十面体结构。在室温样品中，(0，0，12，0)超过了10％。通过原子团簇校正法，发现在同样的情况下，纯Cu液体在降温到熔点之下不久后就形成结晶，而Cu80Si20保持二十面体短程有序性，证明Si在Cu中增强了体系的玻璃转变能力。
　　 含12％Si原子比的Al88Si12合金为共晶合金，由于Si倾向于形成粗糙的片状共晶结构，减弱了合金的机械性能。而加入微量元素可以改变合金的微观结构，细化晶粒尺寸，提升合金性能。Sr的加入在实验上被证明能显著改善Al-Si合金的微观结构，但其中的调制机理尚不清楚。本部分工作分别计算Al88Si12、Al87.5Si12Sr0.5和Al84Si12Sr4三种情况。研究发现将0.5％Sr原子替换量不足以显著影响合金液体的微观结构。替换Sr原子之后，平均配位数减小。此外，Sr的扩散速度明显小于Al和Si，并且略微降低了体系的整体扩散。将4％的Al替换为Sr原子后体系的微观结构发生了明显变化。Al和Al之间的相互关系略微有所加强；Si和Si之间的相互作用明显降低；而Sr和Si有较强相互作用。意味着Sr的加入改善了体系的微观结构，原本比较倾向于聚集在一起的Si原子被分开，对细化颗粒尺寸起到帮助。最后，通过模拟快速冷却，讨论了低于熔点后，Sr对Al-Si体系的影响及潜在的玻璃转变能力。