zr49cu49al2三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：9445】
金属玻璃比对应的晶体合金具有更优异的力学性能，但是其原子结构非常复杂，到目前为止，许多问题尚未得到完全的解释。在快速冷却过程中，其结构及能量的变化还有待研究。本课题采用分子动力学模拟的方法探究ZrCuAl三元非晶合金快速冷却过程中原子结构和能量的演变。最终得到以下结果（1）由势能、体积以及密度随着温度的变化曲线得知，Zr49Cu49Al2三元合金在快速冷却过程中在700K~800K附近发生了玻璃转变。（2）由径向分布函数曲线（PDF）可知降温过程中原子对趋向于生成异类原子对。在高温液态时，PDF表现出宽化峰状态，在当温度降低到玻璃转变温度以下时，各PDF曲线第二峰均发生劈裂，表明非晶结构的形成。随着温度的降低各个偏PDF的第一峰强度逐渐升高，曲线第一峰变高变窄，表明第一配位壳层的原子越来越向中心原子的位置靠近，Zr49Cu49Al2非晶形成过程中有序度增强。（3）在一定配位数范围内配位数越高，配位多面体的能量越低。随着温度的降低，以Zr原子为中心的配位多面体各类偏配位数升高，以Cu原子为中心配位多面体的总配位数降低，而以Al原子为中心的总配位数没有明显变化。表明冷却时原子间的强相互作用破坏了原先的Al和Cu间的原子键对使得原子转而与Zr原子结合。最终，总配位数升高，原子趋向密堆。（4）Zr49Cu49Al2中以Zr原子为中心的多面体指数中<0，1，10，4，0，0>与<0，2，8，4，0，0>含量较高，以Cu原子为中心的的多面体指数中<0,2,8,1,0,0>与<0,0,12,0,0,0>的含量较高 ，以Al原子为中心的多面体指数中含量最高的是<0,0,12,0,0,0>。
目录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2非晶合金结构的常用研究方法 1
1.3非晶合金微观结构的几种常用模型 1
1.3.1硬球无规密堆模型 2
1.3.2微晶模型 2
1.3.3连续无规网络模型 2
1.3.4有效密堆团簇模型 2
1.3.5准等同团簇模型 3
1.4非晶合金微观结构的研究现状 3
1.5本文研究内容的概述 3
2 计算和分析方法 4
2.1计算方法 4
2.1.1计算条件的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
选择 4
2.1.2经典分子动力学原理 4
2.1.3选用周期性边界条件 5
2.1.4势函数 5
2.1.5系综 5
2.2微观结构数据的分析方法 6
2.2.1对分布函数 6
2.2.2配位数 6
2.2.3Voronoi多面体分析技术 7
2.3能量数据的分析方法 7
3结果分析 9
3.1Zr49Cu49Al2非晶合金形成过程中结构的演变 9
3.2Zr49Cu49Al2三元非晶合金对分布函数分析 10
3.3Zr49Cu49Al2三元非晶合金配位数分析 14
3.4Zr49Cu49Al2三元非晶合金原子对能量与含量情况分析 15
3.5Zr49Cu49Al2三元非晶合金配位多面体能量与含量情况分析 16
3.6Zr49Cu49Al2三元非晶合金Voronoi多面体分析 18
4结论 19
参考文献 21
致谢 22
1绪论
1.1引言
非晶合金（又叫金属玻璃）材料诞生以来，其所具有的多种优异的物理和化学性能一直吸引着众多科学家。由于非晶合金具有其他比传统晶体合金优良的特性，例如良好的机械加工性，光亮的表面和高反射比，长程无序的微观结构特点，可在低温高压等极端条件下工作等。应用前景很广，包括高强度工具、耐腐蚀、光学、航天、软磁、生物医学、储氢、智能电子产品等多个领域。金属玻璃金属玻璃比对应的晶体合金具有更优异的力学性能，但是其原子结构非常复杂，到目前为止，许多问题尚未得到完全的解释。在快速冷却过程中，其结构及能量的变化还有待研究。
1.2非晶合金结构的常用研究方法
深入研究非晶合金的微观原子结构对掌握非晶合金的基本特性以及提高非晶合金的性能具有非常重要的作用。不过非晶合金虽已经问世多年，但到目前为止人们对于非晶合金的微观原子结构还没有非常彻底的认识。由于非晶合金微观局域原子结构的复杂性，没有实验方法可以准确地表征出非晶合金的三维原子结构，而只能约束条件下利用理论模拟的方法获得非晶合金的三维原子结构，并进一步计算出径向分布函数及相关的结构参数，再与实验结果进行比较。目前常用的理论模拟方法主要有分子动力学模拟（Molecular Dynamics；简称MD）、逆蒙特卡洛模拟（Reverse Monte Carlo；简称RMC）、以及第一性原理分子动力学模拟（Ab Initio Molecular Dynamics；简称AIMD）[1]。 详细介绍见第二节。
1.3非晶合金微观结构的几种常用模型
非晶合金具有短程有序，长程无序的结构。非晶合金的局域原子结构对深入理解非晶态材料的基本特性以及提高材料性能具有重要的意义。因此人们对非晶合金的微观结构进行了大量的实验和模拟研究，由于非晶合金局域原子结构的复杂性，到目前为止，人们至今仍未完全清楚地认识非晶合金的原子结构。但是在此基础上，研究人员提出了一些描述非晶合金微观结构的重要模型。主要有：微晶模型、硬球无规密堆模型、连续无规网络模型、FCC/HCP密堆团簇模型以及准等同团簇模型。
这些模型的提出都是基于一些大量的实验数据和结果来揭示局域结构中的短程序或者中程序。由于非晶合金局域原子结构的复杂性，到目前为止，没有任何一种实验方法能够准确测定出非晶合金的三维原子结构，而只能在各种条件的约束下通过理论模拟的方法构造出非晶合金的三维原子结构，并在此基础上计算出径向分布函数及相关的物理量，再与实验结果进行比较。
1.3.1硬球无规密堆模型
硬球模型在模拟非晶态无序密堆结构上应用很广泛。主要用来描述非晶合金体系的一种结构模型。它是将非晶合金体系看作是一些均匀连续、致密填充并且是混乱没有规则的原子硬球的集合[2]。 它最早在1936年被用来建立了液体结构的三维模型，后来在1959年，Bernal对其作了进一步的改进，确立了硬球无规密堆模型。在之后的研究结果中表明其提供了液态与非晶态金属结构最满意的模型。这些模型可以被分成五种多面体：四面体、八面体、带sane半八面体的三角棱柱、具有两个半八面体的阿基米德反棱柱与四角十二面体。
1.3.2微晶模型
微晶模型将材料看成是由晶粒非常细小的微晶组成，晶粒大小为十几埃至几十埃。可以被用于各种类型的非晶态。但是由于微晶模型不考虑晶界处的情况，在晶粒足够细时，由于晶界处原子数与晶粒内原子数数量级别相差很小时，微晶模型模拟计算得到的结果与实验数据得到的结果相差太大。在这种情况下并不适用于非晶合金结构的研究。
1.3.3连续无规网络模型
目录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2非晶合金结构的常用研究方法 1
1.3非晶合金微观结构的几种常用模型 1
1.3.1硬球无规密堆模型 2
1.3.2微晶模型 2
1.3.3连续无规网络模型 2
1.3.4有效密堆团簇模型 2
1.3.5准等同团簇模型 3
1.4非晶合金微观结构的研究现状 3
1.5本文研究内容的概述 3
2 计算和分析方法 4
2.1计算方法 4
2.1.1计算条件的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
选择 4
2.1.2经典分子动力学原理 4
2.1.3选用周期性边界条件 5
2.1.4势函数 5
2.1.5系综 5
2.2微观结构数据的分析方法 6
2.2.1对分布函数 6
2.2.2配位数 6
2.2.3Voronoi多面体分析技术 7
2.3能量数据的分析方法 7
3结果分析 9
3.1Zr49Cu49Al2非晶合金形成过程中结构的演变 9
3.2Zr49Cu49Al2三元非晶合金对分布函数分析 10
3.3Zr49Cu49Al2三元非晶合金配位数分析 14
3.4Zr49Cu49Al2三元非晶合金原子对能量与含量情况分析 15
3.5Zr49Cu49Al2三元非晶合金配位多面体能量与含量情况分析 16
3.6Zr49Cu49Al2三元非晶合金Voronoi多面体分析 18
4结论 19
参考文献 21
致谢 22
1绪论
1.1引言
非晶合金（又叫金属玻璃）材料诞生以来，其所具有的多种优异的物理和化学性能一直吸引着众多科学家。由于非晶合金具有其他比传统晶体合金优良的特性，例如良好的机械加工性，光亮的表面和高反射比，长程无序的微观结构特点，可在低温高压等极端条件下工作等。应用前景很广，包括高强度工具、耐腐蚀、光学、航天、软磁、生物医学、储氢、智能电子产品等多个领域。金属玻璃金属玻璃比对应的晶体合金具有更优异的力学性能，但是其原子结构非常复杂，到目前为止，许多问题尚未得到完全的解释。在快速冷却过程中，其结构及能量的变化还有待研究。
1.2非晶合金结构的常用研究方法
深入研究非晶合金的微观原子结构对掌握非晶合金的基本特性以及提高非晶合金的性能具有非常重要的作用。不过非晶合金虽已经问世多年，但到目前为止人们对于非晶合金的微观原子结构还没有非常彻底的认识。由于非晶合金微观局域原子结构的复杂性，没有实验方法可以准确地表征出非晶合金的三维原子结构，而只能约束条件下利用理论模拟的方法获得非晶合金的三维原子结构，并进一步计算出径向分布函数及相关的结构参数，再与实验结果进行比较。目前常用的理论模拟方法主要有分子动力学模拟（Molecular Dynamics；简称MD）、逆蒙特卡洛模拟（Reverse Monte Carlo；简称RMC）、以及第一性原理分子动力学模拟（Ab Initio Molecular Dynamics；简称AIMD）[1]。 详细介绍见第二节。
1.3非晶合金微观结构的几种常用模型
非晶合金具有短程有序，长程无序的结构。非晶合金的局域原子结构对深入理解非晶态材料的基本特性以及提高材料性能具有重要的意义。因此人们对非晶合金的微观结构进行了大量的实验和模拟研究，由于非晶合金局域原子结构的复杂性，到目前为止，人们至今仍未完全清楚地认识非晶合金的原子结构。但是在此基础上，研究人员提出了一些描述非晶合金微观结构的重要模型。主要有：微晶模型、硬球无规密堆模型、连续无规网络模型、FCC/HCP密堆团簇模型以及准等同团簇模型。
这些模型的提出都是基于一些大量的实验数据和结果来揭示局域结构中的短程序或者中程序。由于非晶合金局域原子结构的复杂性，到目前为止，没有任何一种实验方法能够准确测定出非晶合金的三维原子结构，而只能在各种条件的约束下通过理论模拟的方法构造出非晶合金的三维原子结构，并在此基础上计算出径向分布函数及相关的物理量，再与实验结果进行比较。
1.3.1硬球无规密堆模型
硬球模型在模拟非晶态无序密堆结构上应用很广泛。主要用来描述非晶合金体系的一种结构模型。它是将非晶合金体系看作是一些均匀连续、致密填充并且是混乱没有规则的原子硬球的集合[2]。 它最早在1936年被用来建立了液体结构的三维模型，后来在1959年，Bernal对其作了进一步的改进，确立了硬球无规密堆模型。在之后的研究结果中表明其提供了液态与非晶态金属结构最满意的模型。这些模型可以被分成五种多面体：四面体、八面体、带sane半八面体的三角棱柱、具有两个半八面体的阿基米德反棱柱与四角十二面体。
1.3.2微晶模型
微晶模型将材料看成是由晶粒非常细小的微晶组成，晶粒大小为十几埃至几十埃。可以被用于各种类型的非晶态。但是由于微晶模型不考虑晶界处的情况，在晶粒足够细时，由于晶界处原子数与晶粒内原子数数量级别相差很小时，微晶模型模拟计算得到的结果与实验数据得到的结果相差太大。在这种情况下并不适用于非晶合金结构的研究。
1.3.3连续无规网络模型
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