Zr基和Fe基非晶合金液/固态微观结构理论研究

摘要

非晶合金由于其短程有序而长程无序的原子堆垛结构而呈现出优异的性能。非晶合金微观结构的研究对理解其优异的性能有重要的意义。分子动力学方法可以模拟所研究体系在微观尺度以及短时间内微观结构的变化，因而被广泛地应用于非晶合金微观结构的研究中。本文采用经典分子动力学方法和第一性原理分子动力学方法系统地研究了Zr基和Fe基非晶合金在熔体状态、过冷液态和玻璃态的微观结构；将微观结构与微观动力学关联；深入研究了两种合金体系中微观结构对合金的玻璃形成能力的影响。
　　Zr53Cu18.7Ni12Al16.3(Zr53)和Zr50.7Cu28Ni9Al12.3(Zr50.7)合金熔体中的短程序可用Al原子的配位团簇来表示。Al原子的配位团簇主要包括Kasper多面体团簇和不规则多面体团簇。Kasper多面体团簇的中心原子处于局域势能面上势垒较深的局域势能极小值处，其运动速率较小，有利于提高体系的玻璃形成能力。Zr53中Al含量比Zr50.7更高，导致Zr53中二十面体团簇的数量较Zr50.7低，同时Zr53配位团簇中化学组成更加丰富，进一步造成Zr53中二十面体团簇的畸变程度更大。这两方面微观结构因素决定了Zr50.7比 Zr53的玻璃形成能力更高。Fe79C21合金熔体的原子结构可以用 C原子配位团簇来表示。Fe79C21合金熔体中C原子周围的Kasper多面体配位团簇可以降低 C原子的运动速率，有利于体系中非晶合金的形成。随后，本文提出了短程序对称性参数（Short range order Symmetry Parameter，SSP）来描述体系中团簇的畸变程度。用SSP研究Zr50.7和Zr53合金熔体时发现，Zr50.7中二十面体团簇的对称性更高。
　　Cu50Zr50过冷液态合金的短程序可用Cu原子配位团簇表示。在Cu50Zr50过冷液态合金中，Zr5和Zr4二十面体团簇存在着空间关联作用。这种作用阻碍了过冷液态合金中原子的运动，有利于非晶合金的形成。Zr50.7和Zr53过冷液态合金的微观结构在绝大多数情况下可用 Al原子的配位团簇表示。但是，在1000 K左右，Zr50.7中出现了不含Al的Ni原子配位团簇。这种团簇相对于其他Ni原子配位团簇具有较低的移动速率，提高了Zr50.7合金的玻璃形成能力。Fe70Mo10B20过冷液态合金的原子结构可以用 B原子配位团簇来表示。Kasper多面体团簇（（0，3，6，0）、（0，2，8，0）、（0，2，8，1）和（0，4，4，0））在B原子配位团簇中占绝大多数。这些Kasper多面体团簇具有较长的寿命，有利于非晶合金中动力学延缓以及非晶合金的形成。应用SSP研究Cu50Zr50过冷液态合金中配位团簇的畸变程度时发现，过冷液态合金中SSP表现为宽分布谱，证明具有相同Voroni因子和化学成分的团簇，其结构差异仍然很大。进一步，将SSP与原子尺度剪切应力相关联，可以得出大SSP团簇的中心原子受到的原子尺度剪切应力也更大。随着体系温度的降低，配位团簇的SSP以及配位团簇中心原子受到的原子尺度剪切应力都减小。微观动力学分析的结果表明，对于具有相同 Voronoi因子和化学成分的团簇，SSP越小其中心原子的活动能力越弱。从局域势能图景的角度看，配位团簇的SSP越小，团簇的中心原子处于势能面上具有更深势垒的局域能量极小值处，也因此具有更缓慢的移动速度。因此，含有更多小SSP配位团簇的体系具有更大的GFA。
　　采用经典分子动力学方法模拟了温度为1000 K的Cu50Zr50和Cu46Zr46Al8过冷液态合金的形核过程；采用第一性原理分子动力学方法研究Fe79C21过冷液态合金中微观结构对形核过程的影响。通过CCE方法识别出系统中的类晶体序结构。在形核过程中，三种过冷液态合金都首先析出类BCC结构。过冷液态合金中Kasper多面体团簇抑制类 BCC结构的析出，阻碍晶核的形成。过冷液态合金中类BCC结构自发地聚集以降低原子的平均能量。当聚集体中原子总数接近500时，聚集体可以稳定地存在于过冷液态合金中。Al原子的加入使得Cu46Zr46Al8过冷液态合金中的Kasper多面体团簇更加稳定，更进一步地抑制类BCC结构的析出。因此 Cu46Zr46Al8合金的玻璃形成能力大于 Cu50Zr50合金。Fe79C21过冷液态合金于液相线以下100 K处开始析出类BCC结构。
　　用经典分子动力学方法和第一性原理分子动力学方法研究了几种二元、三元以及四元Zr基和Fe基非晶合金的微观结构。通过对SSP的分析，我们发现了Cu50Zr50非晶合金中局域化学成分对团簇畸变程度的影响。发现 Cu-Zr二元非晶合金的玻璃形成能力与合金中团簇的SSP密切相关。团簇的对称度越高，合金的玻璃形成能力越强。通过分析Fe65Mo14C15B6的SSP，发现体系中共价键的存在可以显著地降低团簇的SSP，增加体系的玻璃形成能力。结合计算机模拟与拉曼光谱，证明了Fe65Mo14C15B6、Zr53和Zr50.7非晶合金中存在中程序，这种中程序进一步降低了原子的移动速率，增加了体系的玻璃形成能力。最后对Fe65Mo14C15B6非晶合金的微观结构与弹性性质关系的研究发现，合金的弹性变形主要对应以Fe原子为中心的类二十面体中程序的收缩。

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第1章 绪 论

1.1 引 言

1.2 Zr基和Fe基非晶合金的研究进展

1.3 非晶合金微观结构模型

1.4 非晶合金的微观动力学

1.5 非晶合金微观结构的研究现状

1.6 本论文的研究对象和研究内容

第2章 计算和分析方法

2.1 计算方法

2.2 微观结构分析方法

2.3 微观动力学分析方法

2.4 实验方法

第3章 Zr基和Fe基合金熔体的微观结构

3.1 引言

3.2 模拟方法

3.3 Zr50.7和Zr53合金熔体的微观结构

3.4 Fe79C21合金熔体的短程序

3.5 液态合金和非晶合金中短程序的畸变

3.6 本章小节

第4章 Zr基和Fe基过冷液态合金的微观结构

4.1 引言

4.2 模拟方法

4.3 Zr基过冷液态合金的微观结构

4.4 Fe70Mo10B20过冷液态合金的微观结构

4.5 Cu50Zr50过冷液态合金中的短程序畸变

4.6 本章小结

第5章 Zr基和Fe基过冷液态合金微观结构对形核过程的影响

5.1 引言

5.2 分子动力学模拟和CCE方法

5.3 Cu50Zr50和Cu46Zr46Al8过冷液态合金中微观结构对形核过程的影响

5.4 Fe79C21过冷液态合金中微观结构对形核过程的影响

5.5 本章小结

第6章 Zr基和Fe基非晶合金的微观结构

6.1 引言

6.2 Cu-Zr二元非晶合金的微观结构

6.3 Zr50.7和Zr53非晶合金的短程序

6.4 Fe基非晶合金的短程序

6.5 Zr基和Fe基非晶合金的中程序

6.6 Fe基非晶合金的微观结构对弹性性质的影响

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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