zr60cu32al8三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：9676】
与其他晶体合金相比，非晶合金具备强度高、弹性好、耐腐蚀性强等一系列更加优异的力学性能。然而，这种非晶合金的原子结构却是十分复杂。迄今为止，在这个方面的研究领域中，仍然存在许多问题，未能得到合理的解释和论证。尤其是对于这种非晶合金，在它快速冷却的过程中，其结构和能量的变化，具体还有待研究。为了深入探究Zr60Cu32Al8三元非晶合金快速冷却过程中原子结构和能量的演变，本论文采用分子动力学模拟的方法进行研究，通过径向分布函数、Voronoi分析等方法对该合金的结构的表征。最后得到的结果如下（1）Zr60Cu32Al8三元非晶合金的玻璃转变温度 Tg 在760K到800K之间。（2） 当Zr60Cu32Al8非晶合金在 300 K 时，通过MD 模拟计算，我们可以得知，各原子对的PDF曲线，它们的偏 PDF 和总 PDF 曲线，都在第二峰发生了劈裂，这说明合金最后形成了非晶态结构。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，峡谷变深，表明冷却过程中，该合金结构的有序度不断增加。（3）在Zr60Cu32Al8三元非晶合金快速冷却的过程中，随着温度的降低，其体积不断减小，但是从pdf曲线图来看，其体积曲线经过某一点后，斜率明显降低，下降的趋势变缓；而密度却呈现增大的趋势，其曲线斜率在经过某处后变大，以上现象说明了降温过程中发生了玻璃转变，生成非晶结构。在冷却过程中，更倾向于异类原子间的相互结合，其中又主要以有Zr原子为主。（4）Zr60Cu32Al8非晶合金中以 Cu 原子为中心时，它的配位数主要分布在 11-12 之间，以Al原子为中心的配位数为12，而以 Zr 原子为中心的主要分布在14附近。以Al原子为中心的原子团簇能量比以Zr和Al原子为中心的更低，说明以Al原子为中心的原子团簇更为稳定。即Zr60Cu32Al8非晶合金在冷却过程中更加倾向于形成以Al原子为中心的原子团簇。（5）Voronoi 多面体分析，以Zr原子为中心的多面体指数中，<0,1,10,2,0,0>含量最高，<0,2,8,5,0,0>含量次之，而<1,3,3,5,1,0>和<0,6,5,3,0>的含量最少，几乎可以忽略不计。以Cu原子为中心的多面体指数中含量最高的是<0,2,8,1,0,0>，接下来的是<0,2,7,1,0,0>，<1,1,8,1,1,0>的含量最少。以Al *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
原子为中心的多面体指数中含量最高的是<0,0,12,0,0 >,含量排名第二的是<0,2,8,2,0,0>，所占比例最低的是<0,1,9,1,0,0>。
目录
摘要 I
1 绪论 2
1.1引言 2
1.2非晶合金局域原子的结构模型 2
1.2.1硬球无规密堆模型 3
1.2.2微晶模型 3
1.2.3连续无规网络模型 3
1.2.4 团簇模型 4
1.3常用的理论模拟方法 5
2 计算方法 6
2.1模拟计算的原理 6
2.2 选用周期性边界条件 7
2.3 Zr60Cu32Al8三元非晶合金的结构模拟过程 7
2.4 模拟使用的软件 8
3 模拟结果及讨论 8
3.1 玻璃转变 8
3.2 密度与体积的变化 9
3.3径向分布函数 10
3.4 配位数随温度的变化 14
3.5原子对能量和含量的分布 15
3.6 配位多面体含量和能量的分布 16
3.7 Voronoi 多面体分析技术 18
结论 20
参考文献 22
致谢 23
1 绪论
1.1引言
由于非晶合金比起以往的金属合金，具有更加优异的加工性能、力学性能、磁学性能、超导性能、生物兼容性能和耐腐蚀性等特点，从而得到了材料领域相关研究人员的广泛关注。在目前正在进行研究和应用的合金当中，以Zr为中心的非晶合金是研究和应用的最广泛的。这得益于该合金本身所具有得优异的玻璃形成能力（GFA）和良好的机械加工性能。
非晶合金是一种具备多种使用功能的应用材料，它有着良好的性能和优越的应用前景。不仅在机械、制造、化工等行业得到广泛应用，而且在航空航天等高新领域的应用范围也在不断的扩大。除此之外，非晶合金在光学材料、耐腐蚀材料、机械结构材料、复合材料、贮氢材料等方面都有广泛的应用。
因此，在对于非晶合金材料的深入研究和实际应用中，对于其微观领域的结构的研究就显得至关重要。近年来，针对非晶合金的微观结构的探索认识，随着计算机技术在结构模拟上的发展和科研创新能力的不断提高，时不时就会出现许多新的研究结果。这些研究结论使人们对非晶合金微观结构的理解不断加深[1]。但是目前看来，针对该领域的研究中仍然存在许多不容忽视的问题，例如快速冷却过程中原子结构和能量的演变，仍无法得到完美的解答。
本文旨在通过结合实验，利用分子动力学模拟方法(使用软件lammps和origin)对其结构进行模拟，然后利用径向分布函数、Voronoi 多面体分析等方法，对Zr60Cu32Al8三元非晶合金的冷却过程中的密度、体积、配位数、含量和能量等相关变化进行记录研究，并且对相关的理论实践提供科学基础。
1.2非晶合金局域原子的结构模型
在探索非晶合金的局域原子结构的过程中，为了更好的理解和实验，人们构建了许多的理论结构模型，特别是随着计算机技术不断发展，将其应用到建模上，使得理论模拟方法更加直观易懂。常见的用于研究原子领域微观结构的模型主要有：硬球无规则密堆模型、微晶模型、连续无规则网络模型和团簇模型[2]。这些模型的提出大多基于一些实验数据的总结归纳或者计算机系统进行的大量的模拟计算，但是，这些模型并不是完美的，仍存在不足之处。
1.2.1硬球无规密堆模型
在空间上，把大量尺寸和形状完全相同的硬球，快速填入一表面不规则的容器中，从得到位形的结构模型。对于RCP结构，无规则密堆结构的致密度（或填充空间的“有效”程度）大约是晶态紧密堆积的86%。
对于Voronoi多面体网络，三维欧勒潘卡雷关系是：
VE+FN=1 （1）
其中V是顶点数，E是边数，F是面数， N是元胞数.
当方程（1）应用于单个多面体时，令N=1。
对于立方体：V=8，E=12，F=6。
十二面体：V=14，E=24，F=12。
/
图1.1计算机作出的无规则密堆模型
1.2.2微晶模型
指非晶合金是由许多空间上极小的微晶原子团构成的。这些原子团的取向在空间上是杂乱无章的。这样就可得到短程有序、长程无序的非晶结构[3]。
1.2.3连续无规网络模型
“无规则网络”结构模型是指：玻璃中原子的排列具有不对称性和非周期性，然而却能形成三维空间网络的特点。如图所示：
/
图1.2 连续无规网络模型
该理论的主要内容为：玻璃的结构单元与其相对应的晶体结构十分相像，
都是形成了连续的、三维空间的网络结构，但是和晶体网络结构不同的是，一系列的实验证明了玻璃的网络是不规则的、非周期性的，这种现象即向我们说明了无规则网络结构的远程无序性。但它们的结构单元都是四面体或三角体。同时，该网络结构还具有可变性[4]。
1.2.4 团簇模型
团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过一些列物理或化学变化组成结合成的具有相对稳定结构的微观聚集体，这种聚集体的物理和化学性质会随着原子数目的变化而变化。我们可以把团簇看成是介于原子、分子与宏观物质之间的结构层次，是物质由原子、分子向大块聚集体转变的过渡状态[5]。
原子为中心的多面体指数中含量最高的是<0,0,12,0,0 >,含量排名第二的是<0,2,8,2,0,0>，所占比例最低的是<0,1,9,1,0,0>。
目录
摘要 I
1 绪论 2
1.1引言 2
1.2非晶合金局域原子的结构模型 2
1.2.1硬球无规密堆模型 3
1.2.2微晶模型 3
1.2.3连续无规网络模型 3
1.2.4 团簇模型 4
1.3常用的理论模拟方法 5
2 计算方法 6
2.1模拟计算的原理 6
2.2 选用周期性边界条件 7
2.3 Zr60Cu32Al8三元非晶合金的结构模拟过程 7
2.4 模拟使用的软件 8
3 模拟结果及讨论 8
3.1 玻璃转变 8
3.2 密度与体积的变化 9
3.3径向分布函数 10
3.4 配位数随温度的变化 14
3.5原子对能量和含量的分布 15
3.6 配位多面体含量和能量的分布 16
3.7 Voronoi 多面体分析技术 18
结论 20
参考文献 22
致谢 23
1 绪论
1.1引言
由于非晶合金比起以往的金属合金，具有更加优异的加工性能、力学性能、磁学性能、超导性能、生物兼容性能和耐腐蚀性等特点，从而得到了材料领域相关研究人员的广泛关注。在目前正在进行研究和应用的合金当中，以Zr为中心的非晶合金是研究和应用的最广泛的。这得益于该合金本身所具有得优异的玻璃形成能力（GFA）和良好的机械加工性能。
非晶合金是一种具备多种使用功能的应用材料，它有着良好的性能和优越的应用前景。不仅在机械、制造、化工等行业得到广泛应用，而且在航空航天等高新领域的应用范围也在不断的扩大。除此之外，非晶合金在光学材料、耐腐蚀材料、机械结构材料、复合材料、贮氢材料等方面都有广泛的应用。
因此，在对于非晶合金材料的深入研究和实际应用中，对于其微观领域的结构的研究就显得至关重要。近年来，针对非晶合金的微观结构的探索认识，随着计算机技术在结构模拟上的发展和科研创新能力的不断提高，时不时就会出现许多新的研究结果。这些研究结论使人们对非晶合金微观结构的理解不断加深[1]。但是目前看来，针对该领域的研究中仍然存在许多不容忽视的问题，例如快速冷却过程中原子结构和能量的演变，仍无法得到完美的解答。
本文旨在通过结合实验，利用分子动力学模拟方法(使用软件lammps和origin)对其结构进行模拟，然后利用径向分布函数、Voronoi 多面体分析等方法，对Zr60Cu32Al8三元非晶合金的冷却过程中的密度、体积、配位数、含量和能量等相关变化进行记录研究，并且对相关的理论实践提供科学基础。
1.2非晶合金局域原子的结构模型
在探索非晶合金的局域原子结构的过程中，为了更好的理解和实验，人们构建了许多的理论结构模型，特别是随着计算机技术不断发展，将其应用到建模上，使得理论模拟方法更加直观易懂。常见的用于研究原子领域微观结构的模型主要有：硬球无规则密堆模型、微晶模型、连续无规则网络模型和团簇模型[2]。这些模型的提出大多基于一些实验数据的总结归纳或者计算机系统进行的大量的模拟计算，但是，这些模型并不是完美的，仍存在不足之处。
1.2.1硬球无规密堆模型
在空间上，把大量尺寸和形状完全相同的硬球，快速填入一表面不规则的容器中，从得到位形的结构模型。对于RCP结构，无规则密堆结构的致密度（或填充空间的“有效”程度）大约是晶态紧密堆积的86%。
对于Voronoi多面体网络，三维欧勒潘卡雷关系是：
VE+FN=1 （1）
其中V是顶点数，E是边数，F是面数， N是元胞数.
当方程（1）应用于单个多面体时，令N=1。
对于立方体：V=8，E=12，F=6。
十二面体：V=14，E=24，F=12。
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图1.1计算机作出的无规则密堆模型
1.2.2微晶模型
指非晶合金是由许多空间上极小的微晶原子团构成的。这些原子团的取向在空间上是杂乱无章的。这样就可得到短程有序、长程无序的非晶结构[3]。
1.2.3连续无规网络模型
“无规则网络”结构模型是指：玻璃中原子的排列具有不对称性和非周期性，然而却能形成三维空间网络的特点。如图所示：
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图1.2 连续无规网络模型
该理论的主要内容为：玻璃的结构单元与其相对应的晶体结构十分相像，
都是形成了连续的、三维空间的网络结构，但是和晶体网络结构不同的是，一系列的实验证明了玻璃的网络是不规则的、非周期性的，这种现象即向我们说明了无规则网络结构的远程无序性。但它们的结构单元都是四面体或三角体。同时，该网络结构还具有可变性[4]。
1.2.4 团簇模型
团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过一些列物理或化学变化组成结合成的具有相对稳定结构的微观聚集体，这种聚集体的物理和化学性质会随着原子数目的变化而变化。我们可以把团簇看成是介于原子、分子与宏观物质之间的结构层次，是物质由原子、分子向大块聚集体转变的过渡状态[5]。
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