zr70cu22al8三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：11040】
在世界范围内，非晶合金由于具有优异的性能而成为现在材料和物理领域的研究热点。它的强度比和弹性极限比普通的材料要更为优秀，应用前景非常广泛。非晶合金的微观结构是短程有序长程是无序的，在制备非晶合金时受到了实际技术的限制，因此对于许多关键问题如玻璃转变过程的本质，非晶合金微观结构和性能的关系等问题还没有得到完整而深入的解答。在非晶合金中我们选择以Zr70Cu22Al8三元合金为研究对象，通过使用Lammps软件和使用经典分子动力学的方法模拟此三元合金的冷却过程，了解它内部的结构在冷却过程中的变化并由变化分析得到如下的结果（1）由势能、体积以及密度随着温度的变化曲线得知，Zr70Cu22Al8三元合金在快速冷却过程中在632K附近发生了玻璃转变。（2）由径向分布函数曲线（PDF图）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，径向分布函数曲线的波峰呈现出宽化的特征，在当温度降低到Tg 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，在曲线图形中，第一个波峰在逐渐变高时逐渐变窄，表明在配位壳层为第一层的原子位置逐渐趋向于中心原子，Zr70Cu22Al8的有序度在形成非晶过程时变强。（3）配位数越高，配位多面体的能量越低。随着温度的降低，配位多面体在以Zr原子为核心的各类偏配位数升高，以Cu原子为核心的配位多面体的总配位数降低，而以Al原子为核心的总配位数没有明显变化。表明原子间的强相互作用在三元合金冷却时破坏了开始的Al和Cu间的原子键对使得被破坏的原子转而与Zr原子结合。最终，总配位数升高，原子趋向密堆。
目录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2 Zr基非晶合金意义与进展 1
1.3非晶合金局域原子的结构模型 2
1.3.1硬球无规密堆模型 2
1.3.2微晶模型 3
1.3.3连续无规网络模型 3
1.3.4 有效密堆团簇模型 3
1.3.5准等同团簇模型 4
1.4理论模拟方法 4
1.4.1反蒙特卡洛模拟 4
1.4.2分子动力学模拟 4
1.5 Zr70Cu22Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2计算和分析方法 6
2.1经典分子动力学模拟计算 6
2.1.1模拟计算的原理 6
2.1.2选用周期性边界条件 7
2.1.3势函数 7
2.1.4系综 7
2.1.5模拟计算的过程与数据 8
2.1.6模拟使用的软件简介 8
2.2结构分析方法 8
2.2.1对分布函数 8
2.2.2配位数 9
2.2.3Voronoi多面体分析技术 9
2.3能量分析方法 10
3 Zr70Cu22Al8非晶合金转变过程演化 11
3.1玻璃转变 11
3.2密度与体积的变化 11
3.3对分布函数 12
3.4 配位数随温度的变化 14
3.5原子对含量和能量分布 15
3.6配位多面体的含量和能量分布 16
3.7Voronoi多面体分析 18
结论 20
参考文献 22
致谢 23
1绪论
1.1引言
之所以长期研究非晶合金理论，是因为要将研究出的理论去用来准确预测具备类似较强的玻璃形成能力和优秀的物理或化学能力材料的性能。尽可能地去解决在开发非晶合金材料时出现的问题。本课题是以Zr70Cu22Al8三元非晶合金作为研究对象利用经典分子动力学进行模拟计算。通过热力学参数的计算，并利用所建立金属玻璃的原子模型解释Zr70Cu22Al8三元合金冷却过程中的物理，力学性能现象。
非晶合金相较于其他普通的合金材料具备更好的使用性能，例如，非晶合金易于机械加工并且它的内部结构是长程无序的。它独特的结构使得它能够在一些恶劣的条件下使用[1]。由于Zr基非晶合金在非晶合金中具备比较高的玻璃形成能力和优异的物理性能，因而常常被用来研究。而对Zr70Cu22Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究则可以研究并解释出ZrCuAl三元非晶合金在该种成分下随温度变化而发生的物理，力学性能现象。我们先对Zr70Cu22Al8三元非晶合金运用相关软件进行冷却模拟研究，对它在冷却过程中发生的结构变化进行分析和了解，获得它在实际实验中不能得到的微观演变细节，从而在使用它时能够去较为准确的预测它当时实际的性能。
1.2 Zr基非晶合金意义与进展
人们最初使用的绝大部分的金属类材料微观结构是长程有序的晶体，因而以往的研究者们对晶体材料是进行过非常深入细致的研究，随着人们对金属材料更高的性能追求，非晶合金逐渐走入了人们的视野。这种合金的微观结构是长程无序的刚好与晶体结构相反，因而这种材料被人们称作非晶合金，亦称金属玻璃[2]。金属玻璃能被用来在极端的环境下使用，例如：较高的压力和比较低的温度，因而它的使用范围是比较广的[3]。在非晶合金中属以Zr基非晶合金具备较高的玻璃转变能力，它的冷却速率范围普遍在1k/s到100K/s，因而在Zr基非晶合金中最有可能发现比较重要的实验理论，Zr基非晶合金因而成为研究非晶合金的热点。目前，关于Zr基非晶合金系的研究主要是集中于日本井上明久课题组开发的ZrCuNiAl非晶合金和Johnson课题组开发的ZrTiCuNiBe非晶合金。在这两个合金体系的基础上，通过加入不同的元素来制备其它Zr基非晶合金[4]。
对于这些非晶合金所具有的优秀的性能追根溯源是其独特的微观结构所造成的，非晶合金在高温液态时通过对其进行快速冷却凝固，使得它的内部微观组织来不及转变从而被保留下来，正是这些微观组织使得非晶合金具备独特的性能。在大多数的实验条件中不能达到理想理论中的实验要求因此这些非晶合金中比较重要的信息很难被收集到。但是，现在由于有着发达的计算机技术，可以运用计算机的模拟计算来高度还原模拟非晶合金的冷却过程，并从中得到从前不能获取的重要的微观结构信息。
运用计算机模拟技术可以模拟在现实条件下很难实现的高温度、高压强的极端实验环境并且可以精确获知一些在结构转变时重要的原子位置信息[5]。对于研究非晶合金起到了非常重要的促进作用，因而计算机模拟技术得到了广泛的认同。
1.3非晶合金局域原子的结构模型
为了更好地研究非晶合金局域原子，迄今，研究者们提出了许多地原子结构模型，其中目前常用的有硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网络模型、密堆团簇模型和准等同团簇模型[6]。为了提出这些模型，历来的研究者们通过大量的实验和计算来测定非晶合金中的局域原子结构，但是就单独的模型来说，还没有一种完美的实验方法来准确测定出非晶合金中三维原子结构。只有在约束条件下，用理论模拟出非晶合金的微观原子结构并计算出相关结果再与实际实验结果进行比较[7]。
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[18]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。它把非晶合金中的原子比拟成一个个金属硬球，这些硬球是紧密填充的并且它的排布是没有规律的。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[8]。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[9]。
目录
1绪论 1
1.1引言 1
1.2 Zr基非晶合金意义与进展 1
1.3非晶合金局域原子的结构模型 2
1.3.1硬球无规密堆模型 2
1.3.2微晶模型 3
1.3.3连续无规网络模型 3
1.3.4 有效密堆团簇模型 3
1.3.5准等同团簇模型 4
1.4理论模拟方法 4
1.4.1反蒙特卡洛模拟 4
1.4.2分子动力学模拟 4
1.5 Zr70Cu22Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究 5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2计算和分析方法 6
2.1经典分子动力学模拟计算 6
2.1.1模拟计算的原理 6
2.1.2选用周期性边界条件 7
2.1.3势函数 7
2.1.4系综 7
2.1.5模拟计算的过程与数据 8
2.1.6模拟使用的软件简介 8
2.2结构分析方法 8
2.2.1对分布函数 8
2.2.2配位数 9
2.2.3Voronoi多面体分析技术 9
2.3能量分析方法 10
3 Zr70Cu22Al8非晶合金转变过程演化 11
3.1玻璃转变 11
3.2密度与体积的变化 11
3.3对分布函数 12
3.4 配位数随温度的变化 14
3.5原子对含量和能量分布 15
3.6配位多面体的含量和能量分布 16
3.7Voronoi多面体分析 18
结论 20
参考文献 22
致谢 23
1绪论
1.1引言
之所以长期研究非晶合金理论，是因为要将研究出的理论去用来准确预测具备类似较强的玻璃形成能力和优秀的物理或化学能力材料的性能。尽可能地去解决在开发非晶合金材料时出现的问题。本课题是以Zr70Cu22Al8三元非晶合金作为研究对象利用经典分子动力学进行模拟计算。通过热力学参数的计算，并利用所建立金属玻璃的原子模型解释Zr70Cu22Al8三元合金冷却过程中的物理，力学性能现象。
非晶合金相较于其他普通的合金材料具备更好的使用性能，例如，非晶合金易于机械加工并且它的内部结构是长程无序的。它独特的结构使得它能够在一些恶劣的条件下使用[1]。由于Zr基非晶合金在非晶合金中具备比较高的玻璃形成能力和优异的物理性能，因而常常被用来研究。而对Zr70Cu22Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究则可以研究并解释出ZrCuAl三元非晶合金在该种成分下随温度变化而发生的物理，力学性能现象。我们先对Zr70Cu22Al8三元非晶合金运用相关软件进行冷却模拟研究，对它在冷却过程中发生的结构变化进行分析和了解，获得它在实际实验中不能得到的微观演变细节，从而在使用它时能够去较为准确的预测它当时实际的性能。
1.2 Zr基非晶合金意义与进展
人们最初使用的绝大部分的金属类材料微观结构是长程有序的晶体，因而以往的研究者们对晶体材料是进行过非常深入细致的研究，随着人们对金属材料更高的性能追求，非晶合金逐渐走入了人们的视野。这种合金的微观结构是长程无序的刚好与晶体结构相反，因而这种材料被人们称作非晶合金，亦称金属玻璃[2]。金属玻璃能被用来在极端的环境下使用，例如：较高的压力和比较低的温度，因而它的使用范围是比较广的[3]。在非晶合金中属以Zr基非晶合金具备较高的玻璃转变能力，它的冷却速率范围普遍在1k/s到100K/s，因而在Zr基非晶合金中最有可能发现比较重要的实验理论，Zr基非晶合金因而成为研究非晶合金的热点。目前，关于Zr基非晶合金系的研究主要是集中于日本井上明久课题组开发的ZrCuNiAl非晶合金和Johnson课题组开发的ZrTiCuNiBe非晶合金。在这两个合金体系的基础上，通过加入不同的元素来制备其它Zr基非晶合金[4]。
对于这些非晶合金所具有的优秀的性能追根溯源是其独特的微观结构所造成的，非晶合金在高温液态时通过对其进行快速冷却凝固，使得它的内部微观组织来不及转变从而被保留下来，正是这些微观组织使得非晶合金具备独特的性能。在大多数的实验条件中不能达到理想理论中的实验要求因此这些非晶合金中比较重要的信息很难被收集到。但是，现在由于有着发达的计算机技术，可以运用计算机的模拟计算来高度还原模拟非晶合金的冷却过程，并从中得到从前不能获取的重要的微观结构信息。
运用计算机模拟技术可以模拟在现实条件下很难实现的高温度、高压强的极端实验环境并且可以精确获知一些在结构转变时重要的原子位置信息[5]。对于研究非晶合金起到了非常重要的促进作用，因而计算机模拟技术得到了广泛的认同。
1.3非晶合金局域原子的结构模型
为了更好地研究非晶合金局域原子，迄今，研究者们提出了许多地原子结构模型，其中目前常用的有硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网络模型、密堆团簇模型和准等同团簇模型[6]。为了提出这些模型，历来的研究者们通过大量的实验和计算来测定非晶合金中的局域原子结构，但是就单独的模型来说，还没有一种完美的实验方法来准确测定出非晶合金中三维原子结构。只有在约束条件下，用理论模拟出非晶合金的微观原子结构并计算出相关结果再与实际实验结果进行比较[7]。
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[18]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。它把非晶合金中的原子比拟成一个个金属硬球，这些硬球是紧密填充的并且它的排布是没有规律的。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[8]。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[9]。
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