镍基非晶合金的结构和性质的第一性原理模拟计算

摘要

在本硕士论文中，我们运用第一性原理从头算分子动力学计算机模拟的方法对Ni80(P, B, C)20非晶态合金以及含Ni的Fe80P13C7非晶态合金进行了研究，主要工作包括以下两个部分。
　　(1)为了研究类金属元素（P, B, C）对Ni基非晶态合金的原子排布结构以及玻璃化形成能力的影响，我们选取三个典型的Ni基非晶态合金，即Ni80P14B6， Ni80B14C6和Ni80P13C7，作为研究对象，对这三个合金从1800K逐步降温至300K的过程进行分子动力学计算模拟。双体分布函数分析结果表明， Ni80P14B6和Ni80P13C7这两个非晶态合金中的Ni-P和Ni-C键的键强比Ni80B14C6中Ni-B键要大，并且P-P，P-B，P-C和C-C键相互吸引，这有利于合金的玻璃化形成能力。相反，在Ni80B14C6非晶态合金中，B-B键和B-C键有相互排斥的倾向，这不利于非晶态合金的玻璃化形成能力。通过Voronoi多面体分析技术，我们发现P原子有两种占位方式，一种在反棱柱团簇的中心，另一种是在Ni原子的替换位置。相比于Ni80P13C7，Ni80P14B6非晶态合金中有更多以P原子为中心的类二十面体团簇，导致了更为复杂的溶体结构，这对玻璃化形成能力是有利的。通过以上分析，我们得到的结论是，这三种合金的玻璃化形成能力按照Ni80P14B6，Ni80P13C7和Ni80B14C6的顺序依次降低。
　　(2)我们对Fe80P13C7和Fe50Ni30P13C7非晶态合金进行了第一性原理模拟计算，基此调查Ni的添加导致Fe80P13C7块体非晶态合金塑性得到很大提高的原因。结果表明， Fe80P13C7非晶态合金中以类二十面体团簇结构为主；而Fe50Ni30P13C7非晶态合金中阿基米德反棱柱团簇的比例明显升高，即五次对称性降低。相较于其它的原子配位方式，五次对称结构的排列使体系更致密，具有更高的构型转换障碍，因而更难发生剪切转变。因此，从短程有序中五次对称性的数量来看，模拟计算结果说明Ni的添加将导致Fe80P13C7非晶态合金塑性的提高。进一步，通过电荷密度图可以看到，Fe80P13C7合金中的金属-类金属元素之间电荷密度大于Fe50Ni30P13C7合金，这意味着，相比于Fe50Ni30P13C7，Fe80P13C7非晶态合金中金属-类金属元素间的键合有更多的共价键特性。相比于金属键合，共价键的强度较高，这使得合金的剪切模量升高，泊松系数减小，剪切流动阻碍变大，从而导致非晶态合金的塑性变差。并且，共价键的定域性很强，当块体非晶态合金受到足够大的应力迫使原子间发生相对位移时，将破坏它们之间的共价键键合，从而使材料发生断裂。因此，从键合特性的角度考虑，模拟计算的结果同样表明Ni的添加将导致Fe80P13C7中非晶态合金塑性的提高。

目录

第一章 绪论

1.1非晶态合金及其玻璃化形成能力

1.2 镍基非晶态合金

1.3非晶态合金的结构模型

1.4 非晶态合金微观原子排布的研究

1.5 本文的研究内容和选题意义

第二章 计算和分析方法介绍

2.1 计算方法介绍

2.2 结构分析方法

第三章 通过第一性原理分子动力学计算模拟研究类金属元素对镍基非晶态合金玻璃化形成能力的影响

3.1引言

3.2 计算过程

3.3 模拟结果与讨论

3.4结论

第四章 Ni的添加对Fe基块体非晶态合金塑性的影响

4.1引言

4.2 计算过程

4.3 模拟结果与讨论

4.4 结论

第五章 工作总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

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