zr65cu27al8三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：9009】
摘 要非晶合金在世界范围内都是研究热点，其凭借多种优秀的性能立足于世界领域，但是由于一些技术和实验条件的限制，很多重要的问题例如玻璃转变的本质或者非晶合金的成分性能等因素对于其性能的影响还没有一个真正的认知，故现以Zr65Cu27Al8三元非晶合金作为研究对象，通过分子学动力模拟研究对三元非晶合金的转变过程有一个清晰的认知,研究Zr65Cu27Al8非晶合金转变过程演化，从而得出结论由势能、体积以及密度随着温度的变化曲线得知，Zr65Cu27Al8三元合金在快速冷却过程中在640K附近发生了玻璃转变。由PDF曲线可知原子对趋向于生成异类原子对。原子对表征距离在高温液态时，PDF表现出宽化峰状态，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，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，Zr65Cu27Al8非晶形成过程中有序度增强。3.配位数越高，配位多面体的能量越低。Zr和Cu原子为中心的配位多面体中配位数对原子对能量的影响比以Al原子为中心的配位多面体能量影响小。
Key words: ternary amorphous alloy molecule simulates glass transition 目 录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2 Zr基非晶合金研究现状 1
1.3用于研究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 2
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 3
1.4常用的理论模拟方法 3
1.4.1反蒙特卡洛模拟 4
1.4.2分子动力学模拟 4
1.5研究内容 4
2.计算和分析方法 4
2.1经典分子动力学模拟计算 4
2.1.1模拟计算原理 5
2.1.2选用周期性边界条件 5
2.1.3势函数 6
2.1.4系综 6
2.1.5模拟计算的过程与数据 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
7
2.1.6模拟使用的软件简介 7
2.2结构分析方法 7
2.2.1对分布函数 7
2.2.2配位数 8
2.2.3Voronoi多面体分析技术 8
2.3能量分析方法 8
3.Zr65Cu27Al8非晶合金转变过程演化 10
3.1玻璃转变 10
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 15
3.5原子对含量和能量的分布 17
3.6配位多面体的含量和能量分布 17
3.7Voronoi多面体分析 19
结论 21
参考文献 23
致谢 25
1绪论
1.1引言
非晶合金理论研究的长期目标之一是用理论来预测具有强的玻璃形成能力和优良物理性能的材料成分，从根本上解决开发问题。本课题是以Zr65Cu27Al8三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三元合金冷却过程中的物理，力学性能现象。
因为非晶合金和合金和普通的合金比它的优点更为的明显突出，优秀的机械加工性能良好的抗压和抗拉强度延展性等等，这些优点使其成为了科学家研究的重要对象，而对Zr65Cu27Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究可以研究并解释出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。利用数值模拟的不断研究，然后建模，随后进行运算，让我们研究的东西不仅仅停留在实验结果和表面的讨论上，而使我们研究的材料的实验结果上升到一个新的高度，让那些本不可能实现的事例如材料设计和预测性能成为了可能。
1.2 Zr基非晶合金研究现状
Zr基非晶合金具有非常强大的力学性能和玻璃形成的能力，是当前很多研究所的研究对象之一，相比于传统的金属，它拥有更好的力度和强度，也有着非常好的耐腐蚀性，但是由于低温下变形太大，其应用也受到了很大的限制。
这种合金拥有很好的弹性以及抗拉强度，在延展和抗腐蚀上也非常优秀，利用它这些非常好的特点，我们可以做很多材料，比如高尔夫的球头，但是由于塑性方面较薄弱还是有一些弊端，通过研究这种合金，我们可以弥补它的缺点，让它的应用变得更加的广泛。
2004年，通过不懈的努力我们研制出了ZrCu的二元合金，这是一项非常成功的发明，科学家发现稍微改变一下成分整个非晶合金的微观结构就会改变，所以对于这种合金微观结构的研究就变成一项非常重要的任务。
由于这种二元合金独有的特性，很多科学家通过大量的研究又有了新的突破，随后对三元合金有了重大的认识，尽管如此，在对其的研究这条路上科学家们还要走很远。
1.3用于研究非晶合金局域原子的结构模型
现在研究非晶合金的原子结构模型主要有硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网络模型、还有及准等同团簇模型等。这些模型的提出都是有大量的实验数据作为铺垫的，但是由于我们所研究的三元合金实在太过复杂，所以在运用这些模型的时候一定是会有弊端的，但是多结合，扬长避短就会得到我们想要的答案。
1.3.1硬球无规密堆模型
1959年，一名科学家名叫bernal首次提出了硬球模型，，他发现，很多硬球原子无秩序堆叠形成了非晶结构，但是在空隙里又不能容纳其他的原子，后来他提出了包括五种多面体的结构，之后也有很多科学家按照他的理论加以改进使得数据更加吻合，，通过研究分布函数的峰形，第二峰的劈裂，反映出这种非晶结构的特性，但是仍然存在一定的误差。
1.3.2微晶模型
1947年，bragg首次提出了一种微晶模型来借此描述晶体的结构，，这种模型可以解释很多非晶合金的特性，但是获得的结果和实验结果还是会有一定的偏差，而且有一些具体的结构也是无法得到的，所以这种模型不太适用于非晶合金的研究。
1.3.3连续无规网络模型
实验表明共价物质结合非晶态时，最相邻原子间的关系基本上与晶态吻合。Gakell[11]等率先提出了该模型，在该模型中原子的相对位置是随机排列的，原子之间的距离没有明显的规律。Gakell他们提出用四面体结构来描述非晶材料。但是还是存在许多不能用模型解释的地方，还是有很大的限制。
Key words: ternary amorphous alloy molecule simulates glass transition 目 录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2 Zr基非晶合金研究现状 1
1.3用于研究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 2
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 3
1.4常用的理论模拟方法 3
1.4.1反蒙特卡洛模拟 4
1.4.2分子动力学模拟 4
1.5研究内容 4
2.计算和分析方法 4
2.1经典分子动力学模拟计算 4
2.1.1模拟计算原理 5
2.1.2选用周期性边界条件 5
2.1.3势函数 6
2.1.4系综 6
2.1.5模拟计算的过程与数据 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
7
2.1.6模拟使用的软件简介 7
2.2结构分析方法 7
2.2.1对分布函数 7
2.2.2配位数 8
2.2.3Voronoi多面体分析技术 8
2.3能量分析方法 8
3.Zr65Cu27Al8非晶合金转变过程演化 10
3.1玻璃转变 10
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 15
3.5原子对含量和能量的分布 17
3.6配位多面体的含量和能量分布 17
3.7Voronoi多面体分析 19
结论 21
参考文献 23
致谢 25
1绪论
1.1引言
非晶合金理论研究的长期目标之一是用理论来预测具有强的玻璃形成能力和优良物理性能的材料成分，从根本上解决开发问题。本课题是以Zr65Cu27Al8三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三元合金冷却过程中的物理，力学性能现象。
因为非晶合金和合金和普通的合金比它的优点更为的明显突出，优秀的机械加工性能良好的抗压和抗拉强度延展性等等，这些优点使其成为了科学家研究的重要对象，而对Zr65Cu27Al8三元非晶合金冷却过程进行模拟研究可以研究并解释出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。利用数值模拟的不断研究，然后建模，随后进行运算，让我们研究的东西不仅仅停留在实验结果和表面的讨论上，而使我们研究的材料的实验结果上升到一个新的高度，让那些本不可能实现的事例如材料设计和预测性能成为了可能。
1.2 Zr基非晶合金研究现状
Zr基非晶合金具有非常强大的力学性能和玻璃形成的能力，是当前很多研究所的研究对象之一，相比于传统的金属，它拥有更好的力度和强度，也有着非常好的耐腐蚀性，但是由于低温下变形太大，其应用也受到了很大的限制。
这种合金拥有很好的弹性以及抗拉强度，在延展和抗腐蚀上也非常优秀，利用它这些非常好的特点，我们可以做很多材料，比如高尔夫的球头，但是由于塑性方面较薄弱还是有一些弊端，通过研究这种合金，我们可以弥补它的缺点，让它的应用变得更加的广泛。
2004年，通过不懈的努力我们研制出了ZrCu的二元合金，这是一项非常成功的发明，科学家发现稍微改变一下成分整个非晶合金的微观结构就会改变，所以对于这种合金微观结构的研究就变成一项非常重要的任务。
由于这种二元合金独有的特性，很多科学家通过大量的研究又有了新的突破，随后对三元合金有了重大的认识，尽管如此，在对其的研究这条路上科学家们还要走很远。
1.3用于研究非晶合金局域原子的结构模型
现在研究非晶合金的原子结构模型主要有硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网络模型、还有及准等同团簇模型等。这些模型的提出都是有大量的实验数据作为铺垫的，但是由于我们所研究的三元合金实在太过复杂，所以在运用这些模型的时候一定是会有弊端的，但是多结合，扬长避短就会得到我们想要的答案。
1.3.1硬球无规密堆模型
1959年，一名科学家名叫bernal首次提出了硬球模型，，他发现，很多硬球原子无秩序堆叠形成了非晶结构，但是在空隙里又不能容纳其他的原子，后来他提出了包括五种多面体的结构，之后也有很多科学家按照他的理论加以改进使得数据更加吻合，，通过研究分布函数的峰形，第二峰的劈裂，反映出这种非晶结构的特性，但是仍然存在一定的误差。
1.3.2微晶模型
1947年，bragg首次提出了一种微晶模型来借此描述晶体的结构，，这种模型可以解释很多非晶合金的特性，但是获得的结果和实验结果还是会有一定的偏差，而且有一些具体的结构也是无法得到的，所以这种模型不太适用于非晶合金的研究。
1.3.3连续无规网络模型
实验表明共价物质结合非晶态时，最相邻原子间的关系基本上与晶态吻合。Gakell[11]等率先提出了该模型，在该模型中原子的相对位置是随机排列的，原子之间的距离没有明显的规律。Gakell他们提出用四面体结构来描述非晶材料。但是还是存在许多不能用模型解释的地方，还是有很大的限制。
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