zr45cu45al10三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：9521】
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。我们主要从通过经典分子动力学来进行模拟Zr45Cu45Al10三元合金的冷却过程，通过其冷却过程中各参数的变化了解在冷却过程中其微观结构发生的变化。从模拟数据绘制得出的曲线图中，我们主要分析了势能、体积还有密度随着温度变化的曲线。从这三张图中，我们得知Zr45Cu45Al10三元合金在700K左右发生了玻璃转变。 （2）从模拟绘制的各温度下各种原子对的PDF图我们可以看出，在冷却过程中趋向于生成异类原子对。合金在高温液态下，PDF表现出宽峰状态，当降低到一定温度以下时，各类原子对的PDF曲线都产生了劈裂，这说明此时玻璃转变已经发生。并且随着温度的降低，各原子对PDF主峰都相应的变高变窄。对比总的PDF与各原子对的偏PDF的主峰与肩峰的位置我们还可以得出Zr45Cu45Al10非晶合金中第一近邻的贡献主要来源于异类原子Zr-Cu对，肩峰的位置靠近Cu-Cu偏PDF最高峰的位置，说明第二近邻的贡献主要来源于Cu-Cu原子对的结论。（3）配位数越高，配位多面体的能量越低。当温度降低，冷却过程中原子间的强烈相互作用，使得Cu-Cu与Al-Al键遭到破坏，转而与Zr相结合。并且使得Z（Zr-Cu）、Z（Cu-Zr）和Z（Zr-Al）、Z（Al-Zr）都增大，使得总体Z变大，使原子变得更加密堆。
目录
1 绪论 5
1.1引言 5
1.2非晶合金微观结构模型 6
1.2.1微晶模型 6
1.2.2硬球无规密堆模型 6
1.2.3连续无规网格模型 7
1.2.4有效密堆团簇模型 7
1.2.5准等同团簇模型 7
1.3非晶合金微观结构的研究现状 8
2 计算和分析方法 9
2.1软件的介绍与使用方法 9
2.2 结构分析方法 9
2.2.1径向分布函数 9
2.2.2偏径向分布函数 10
2.2.3配位数 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.2.4偏配位数 10
2.2.5 Voronoi分析 11
2.3 能量分析方法 11
2.4 计算方法 12
2.4.1经典分子动力学 12
2.4.2周期性边界条件 13
2.4.3势函数 13
2.4.4系综 13
3 模拟结果及讨论 14
3.1玻璃转变 14
3.2径向分布函数 15
3.3配位数随温度变化 19
3.4原子对能量和含量的的分布 19
3.5配位多面体的含量和能量分布 21
3.6 Voronoi多面体分析 23
4 结论 24
5 参考文献 25
6 致谢 26
1 绪论
1.1引言
非金合金（又叫金属玻璃），非晶态合金固体相是亚稳态固体相的极限状态，可以有多种方法形成，从液态的金属连续的冷却得到的非金合金称为金属玻璃。金属玻璃因为其特别的结构特点，不存在位错，晶界等缺陷，同时具有金属和玻璃的特性，表现出比常规晶态合金更优良的力学物理化学性能。由于其具备极高的强度、硬度、断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性能、超塑性成形性能以及良好的软磁性、低磁消耗、超导等特性，所以在机械、电子、化工、航空、航天等领域有较广泛的使用前景，已引起了非晶态物理学和材料学科学家的广泛关注。
近年来，随着金属体系的经验、半经验势函数模型的发展，采用分子动力学模拟方法在金属体系的结构和性质的研究方面获得了新的认识[13]，非晶态合金在结构上处于热力学亚稳状态，在一定条件下要发生晶化转变，通过控制晶化过程，由非晶态合金可以获得具有一些特殊优异性能的纳米晶或非晶／纳米晶复合材料[4]。
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。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。
1.2非晶合金微观结构模型
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人们分析非晶合金的基本特性并且提高非晶合金材料各项性能具有重要的作用。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[57]，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。
1.2.1微晶模型
微晶模型的基本结构是又微小的晶粒和晶界组成的这个模型可以定性地解释一些非晶合金的性质，但是通过该模型获得的对分布函数与实验获得的数据有很大差异。另外，微晶和晶界区域具体的结构无法获得，因此该模型并不适用于非晶合金结构的研究。
1.2.2硬球无规密堆模型
在该模型中，非晶结构是由大量硬球原子无规律地致密堆垛而成的，不存在周期性和长程有序性，而且非晶合金微观空隙中不能容纳另外的原子。Bernal[15]发现并提出非晶 结构中主要包含五种多面体，后来也被称为 Bernal 多面体。之后其他的科研工作者对该模型进行了改进，Connel 和 Turnbull 提出用可压缩的软球代替硬球来描述非晶结构，发现原子间存在的软作用势可以导致径向分布函数与实验获得的数据更加吻合Hoare M.R 和 Barker J.A 通过LennardJones 势对 Bernal 最初构造的模型进行了结构弛豫，将所得到的径向分布函数的第一峰还有第二峰跟之前的实验数据进行了比较，发现两者的吻合度相当高。由硬球无规密堆模型构造出的非晶结构可以表现出一些非晶合金的基本特性，比如径向分布函数第二峰的劈裂，但是径向分布函数曲线与实验曲线相差较大，并不能完全反应非晶合金的结构。
1.2.3连续无规网格模型
Gaskell[14] 认为在非晶合金中存在局域结构单元，而且这些结构单元与有些化学成分的晶体结构类似他认为这些结构单元的中程序与晶体的完全不同，它们随机地通过共点或者共面的形式连接形成空间网络，这才导致非晶合金具有与晶体材料不同的微观结构。Gaskell 提出非晶可分为两类，金属金属和金属非金属，在第二类金属非金属非晶合金中，绝大部分由 Fe、Co、Ni、Pd 与 B、C、P、Si 形成的二元、三元非晶合金，这些非金属原子大都存在于多面体的间隙处，与晶体结构的配位数类似的仅有一种，该模型被称为连续无规网格模型，该模型认为非晶合金的结构单元是三角棱柱附带三个半八面体其中原子之间的距离保持最近邻键长，键角关系也基本确定，原子通过这些化学键无规律地连接成空间网络。但是，并不是每一种非晶合金都存在 TTP。Waseda 和 Chen发现，FeB非晶合金的微观结构与 NiP 非晶合金有很大差异，证明了 FeB 非晶合金中起主要作用的结构单元并不是 TTP。Boudreaux 和 Frost在研究 FeP、FeB 和 PdSi非晶合金的微观结构时发现八面体和三棱柱才是它们的局域结构单元。许多研究结果表明，连续无规网格模型具有局限性。
目录
1 绪论 5
1.1引言 5
1.2非晶合金微观结构模型 6
1.2.1微晶模型 6
1.2.2硬球无规密堆模型 6
1.2.3连续无规网格模型 7
1.2.4有效密堆团簇模型 7
1.2.5准等同团簇模型 7
1.3非晶合金微观结构的研究现状 8
2 计算和分析方法 9
2.1软件的介绍与使用方法 9
2.2 结构分析方法 9
2.2.1径向分布函数 9
2.2.2偏径向分布函数 10
2.2.3配位数 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
2.2.4偏配位数 10
2.2.5 Voronoi分析 11
2.3 能量分析方法 11
2.4 计算方法 12
2.4.1经典分子动力学 12
2.4.2周期性边界条件 13
2.4.3势函数 13
2.4.4系综 13
3 模拟结果及讨论 14
3.1玻璃转变 14
3.2径向分布函数 15
3.3配位数随温度变化 19
3.4原子对能量和含量的的分布 19
3.5配位多面体的含量和能量分布 21
3.6 Voronoi多面体分析 23
4 结论 24
5 参考文献 25
6 致谢 26
1 绪论
1.1引言
非金合金（又叫金属玻璃），非晶态合金固体相是亚稳态固体相的极限状态，可以有多种方法形成，从液态的金属连续的冷却得到的非金合金称为金属玻璃。金属玻璃因为其特别的结构特点，不存在位错，晶界等缺陷，同时具有金属和玻璃的特性，表现出比常规晶态合金更优良的力学物理化学性能。由于其具备极高的强度、硬度、断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性能、超塑性成形性能以及良好的软磁性、低磁消耗、超导等特性，所以在机械、电子、化工、航空、航天等领域有较广泛的使用前景，已引起了非晶态物理学和材料学科学家的广泛关注。
近年来，随着金属体系的经验、半经验势函数模型的发展，采用分子动力学模拟方法在金属体系的结构和性质的研究方面获得了新的认识[13]，非晶态合金在结构上处于热力学亚稳状态，在一定条件下要发生晶化转变，通过控制晶化过程，由非晶态合金可以获得具有一些特殊优异性能的纳米晶或非晶／纳米晶复合材料[4]。
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。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。
1.2非晶合金微观结构模型
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人们分析非晶合金的基本特性并且提高非晶合金材料各项性能具有重要的作用。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[57]，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。
1.2.1微晶模型
微晶模型的基本结构是又微小的晶粒和晶界组成的这个模型可以定性地解释一些非晶合金的性质，但是通过该模型获得的对分布函数与实验获得的数据有很大差异。另外，微晶和晶界区域具体的结构无法获得，因此该模型并不适用于非晶合金结构的研究。
1.2.2硬球无规密堆模型
在该模型中，非晶结构是由大量硬球原子无规律地致密堆垛而成的，不存在周期性和长程有序性，而且非晶合金微观空隙中不能容纳另外的原子。Bernal[15]发现并提出非晶 结构中主要包含五种多面体，后来也被称为 Bernal 多面体。之后其他的科研工作者对该模型进行了改进，Connel 和 Turnbull 提出用可压缩的软球代替硬球来描述非晶结构，发现原子间存在的软作用势可以导致径向分布函数与实验获得的数据更加吻合Hoare M.R 和 Barker J.A 通过LennardJones 势对 Bernal 最初构造的模型进行了结构弛豫，将所得到的径向分布函数的第一峰还有第二峰跟之前的实验数据进行了比较，发现两者的吻合度相当高。由硬球无规密堆模型构造出的非晶结构可以表现出一些非晶合金的基本特性，比如径向分布函数第二峰的劈裂，但是径向分布函数曲线与实验曲线相差较大，并不能完全反应非晶合金的结构。
1.2.3连续无规网格模型
Gaskell[14] 认为在非晶合金中存在局域结构单元，而且这些结构单元与有些化学成分的晶体结构类似他认为这些结构单元的中程序与晶体的完全不同，它们随机地通过共点或者共面的形式连接形成空间网络，这才导致非晶合金具有与晶体材料不同的微观结构。Gaskell 提出非晶可分为两类，金属金属和金属非金属，在第二类金属非金属非晶合金中，绝大部分由 Fe、Co、Ni、Pd 与 B、C、P、Si 形成的二元、三元非晶合金，这些非金属原子大都存在于多面体的间隙处，与晶体结构的配位数类似的仅有一种，该模型被称为连续无规网格模型，该模型认为非晶合金的结构单元是三角棱柱附带三个半八面体其中原子之间的距离保持最近邻键长，键角关系也基本确定，原子通过这些化学键无规律地连接成空间网络。但是，并不是每一种非晶合金都存在 TTP。Waseda 和 Chen发现，FeB非晶合金的微观结构与 NiP 非晶合金有很大差异，证明了 FeB 非晶合金中起主要作用的结构单元并不是 TTP。Boudreaux 和 Frost在研究 FeP、FeB 和 PdSi非晶合金的微观结构时发现八面体和三棱柱才是它们的局域结构单元。许多研究结果表明，连续无规网格模型具有局限性。
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