zr55cu37al8三元非晶合金冷却过程模拟研究【字数：9521】
非晶合金同时具有金属和玻璃物理和化学性质的新型材料。因为其具有长程无序，短则有序的结构特点它具有以下特点高强韧性，耐腐蚀性，优良的磁性。?本文以Zr55Cu37Al8三元非晶合金为研究对象，通过经典分子动力学模拟其冷却过程，了解其微观的结构变化。得到以下结果（1）势能、体积以及密度随着温度的变化曲线得知，Zr55Cu37Al8三元合金在快速冷却过程中在）700~800k之间发生了玻璃转变。（2）Zr55Cu37Al8非晶合金在高温下的pdf图像相比低温的pdf图像更加宽阔。液态结构的配位数和有序度低于相应的非晶固态。冷却中倾向于异类原子结合。低温非晶固态时时，第二峰发生劈裂，表示非晶结构的生成。（3）Zr原子吸引力强，使得cu-cu,cu-al,al-al键发生断裂，同时Zr基原子增加，变得更密堆。
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研究非晶合金局域原子的结构模型 3
1.3.1硬球无规密堆模型 3
1.3.2微晶模型 4
1.3.3连续无规网络模型 4
1.3.4有效密堆团簇模型 4
1.3.5准等同团簇模型 5
1.4常用的理论模拟方法 5
2计算和分析方法 7
2.1本课题选用经典分子动力学模拟计算 7
2.1.1模拟计算的原理 7
2.1.2选用周期性边界条件 8
2.1.3势函数 8
2.1.4系综 9
2.1.5模拟计算的过程与数据 9
2.1.6模拟使用的软件简介 9
2.1.7对分布函数 10
2.2配位数 10
2.3Voronoi多面体分析技术 11
2.4能量分析方法 11
3 Zr55Cu37Al8非晶合金转变过程演化 12
3.1玻璃转变 12
3.2密度与体积的变化 12
3.3对分布函数 13
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 16
3.6配位多面体的含量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
和能量分布 17
3.7Voronoi多面体分析 19
结论 20
参考文献 21
致谢 22
1绪论
1.1引言
非晶体原子排列方式长呈无序,在短程和中程尺,度上排列是有规律的。Zr 基非晶合金弹性高，强度大。由于非晶合金中原子排列没有规律，没有一般晶体中的晶界和位错等缺陷，所以一般具有较好的高磁通率性能、高阻抗和耐腐蚀性能,越来越多的非晶态合金也将会替代传统材料应用于工程、精密机械、信息、航天。
由于非晶合金具有许多与晶体不同的优异性能，一些非晶合金已被应用于生活生产中，因此非晶合金的研究得到了广泛的关注，但非晶合金塑性变形能力很差，这一特性大大限制了它的应用相关研究表明，非晶合金在受到外力作用，发生线性弹性变形，达到屈服极限后，变形是通过剪切带移动方式实现的，剪切带是高度局域集中的而且厚度只有数十纳米。虽然在剪切带内部有很大的变形量，但是非晶合金断裂的时候只在几条剪切带中发生变形，因此在断裂前通常只有不到 1%的塑性变形。这种现象的发生还没有得到深入而深刻的微观解释，因此对于非晶合金微观结构的深入认识和理解是非常有必要的。
由于Zr基非晶合金由于具有较高的GFA和优异的力学性能。Zr基非晶合金一直是非晶合金研究中的热点。而对Zr55Cu37Al8三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[1]。
本课题是以Zr55Cu37Al8三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，建立金属玻璃的原子模型研究Zr55Cu37Al8三元合金冷却过程中的物理，力学性能变化现象。
1.2 Zr基非晶合金意义与进展
Zr基非晶合金相比一般金属材料具有强度高，弹性好，耐腐蚀的性能优势，且具有优异的玻璃形成能力。
Zr基因为其力学和物理性能被广泛应用于航空航天，电子材料，体育器材。甚至利用它的冲击断裂性作为穿甲弹头，或者做成强度高的结构材料。但是它的应用被其塑性缺陷所限制，通过研究它的性能和结构，使它得到更广泛的应用[2]。Zr 基非晶合金的某些物理、化学性能还不能得到完全的解释。比如 Zr 基非晶合金在过冷液体转变时仅仅吸收少量的能量就能从固态转变为过冷态，并伴有急剧的强度降低并获得相应的粘性超塑性性能。这种性能的急剧变化必然是伴随着微观结构的变化。
Zr 基非晶合金的研究主要集中于两个体系中：分别是由井上明久[10]课题组开发的 ZrCuNiAl 非晶合金和 Johnson[11]课题组开发的ZrTiCuNiBe 非晶合金。在这两个合金体系的基础上，通过掺杂不同元素开发出了很多 Zr 基块体非晶合金。然而在 2004 年，多个课题组在 ZrCu 二元合金体系中成功制备得到了块体非晶合金。ZrCu 二元非晶合金的成功制备，使得研究人员认识到目前的经验准则存在很大的缺陷。与此同时，Zr 基非晶合金也表现出了优异的力学性能[16]。
与 ZrCu 二元体系相比，ZrCuAl 三元合金由于 Al 的加入具有更好的玻璃形成能力和机械性能。因此对于 ZrCuAl 三元合金已经有了很多的研究。
在几十年实验和模拟的研究之后已经有了长足的进步 Cheng 提出了二十面体结构是 Zr47Cu46Al7 合金中基本的局域结构，而且 Al 的加入可以增加二十面体的数量。Kim 等人发现在 Zr50Cu50 加入 Al 可以增加二十面体结构的数量因此可以提高 Cu47.5Zr47.5Al5 的玻璃形成能力和强度。然而，以 Al 为中心的最近邻团簇和中程序结构稳定性不高，会使得结构更加无序。Liu 通过第一性原理分子动力学模拟提出了公式来预测合金的玻璃形成能力而且将它成功地运用于(Zr0.5Cu0.5)100xAlx三元合金体系。随着 Zr 含量的增加，合金玻璃形成能力降低而塑性提高与 ZrZr 原子对有很大的关系。Zhang 等人发现 Zr64Cu26Al10 合金的压应变为 7.5%而Zr45Cu45Al10 基本上没有塑性应变。通过经典分子动力学模拟研究发现以 Cu 为中心的二十面体数量是导致这种现象的原因。Yu 等人报道 Zr46Cu46Al8 金属玻璃在等静压压缩之后的机械性能与自由体积、密度和结构相关[16]。
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研究非晶合金局域原子的结构模型 3
1.3.1硬球无规密堆模型 3
1.3.2微晶模型 4
1.3.3连续无规网络模型 4
1.3.4有效密堆团簇模型 4
1.3.5准等同团簇模型 5
1.4常用的理论模拟方法 5
2计算和分析方法 7
2.1本课题选用经典分子动力学模拟计算 7
2.1.1模拟计算的原理 7
2.1.2选用周期性边界条件 8
2.1.3势函数 8
2.1.4系综 9
2.1.5模拟计算的过程与数据 9
2.1.6模拟使用的软件简介 9
2.1.7对分布函数 10
2.2配位数 10
2.3Voronoi多面体分析技术 11
2.4能量分析方法 11
3 Zr55Cu37Al8非晶合金转变过程演化 12
3.1玻璃转变 12
3.2密度与体积的变化 12
3.3对分布函数 13
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 16
3.6配位多面体的含量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
和能量分布 17
3.7Voronoi多面体分析 19
结论 20
参考文献 21
致谢 22
1绪论
1.1引言
非晶体原子排列方式长呈无序,在短程和中程尺,度上排列是有规律的。Zr 基非晶合金弹性高，强度大。由于非晶合金中原子排列没有规律，没有一般晶体中的晶界和位错等缺陷，所以一般具有较好的高磁通率性能、高阻抗和耐腐蚀性能,越来越多的非晶态合金也将会替代传统材料应用于工程、精密机械、信息、航天。
由于非晶合金具有许多与晶体不同的优异性能，一些非晶合金已被应用于生活生产中，因此非晶合金的研究得到了广泛的关注，但非晶合金塑性变形能力很差，这一特性大大限制了它的应用相关研究表明，非晶合金在受到外力作用，发生线性弹性变形，达到屈服极限后，变形是通过剪切带移动方式实现的，剪切带是高度局域集中的而且厚度只有数十纳米。虽然在剪切带内部有很大的变形量，但是非晶合金断裂的时候只在几条剪切带中发生变形，因此在断裂前通常只有不到 1%的塑性变形。这种现象的发生还没有得到深入而深刻的微观解释，因此对于非晶合金微观结构的深入认识和理解是非常有必要的。
由于Zr基非晶合金由于具有较高的GFA和优异的力学性能。Zr基非晶合金一直是非晶合金研究中的热点。而对Zr55Cu37Al8三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[1]。
本课题是以Zr55Cu37Al8三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，建立金属玻璃的原子模型研究Zr55Cu37Al8三元合金冷却过程中的物理，力学性能变化现象。
1.2 Zr基非晶合金意义与进展
Zr基非晶合金相比一般金属材料具有强度高，弹性好，耐腐蚀的性能优势，且具有优异的玻璃形成能力。
Zr基因为其力学和物理性能被广泛应用于航空航天，电子材料，体育器材。甚至利用它的冲击断裂性作为穿甲弹头，或者做成强度高的结构材料。但是它的应用被其塑性缺陷所限制，通过研究它的性能和结构，使它得到更广泛的应用[2]。Zr 基非晶合金的某些物理、化学性能还不能得到完全的解释。比如 Zr 基非晶合金在过冷液体转变时仅仅吸收少量的能量就能从固态转变为过冷态，并伴有急剧的强度降低并获得相应的粘性超塑性性能。这种性能的急剧变化必然是伴随着微观结构的变化。
Zr 基非晶合金的研究主要集中于两个体系中：分别是由井上明久[10]课题组开发的 ZrCuNiAl 非晶合金和 Johnson[11]课题组开发的ZrTiCuNiBe 非晶合金。在这两个合金体系的基础上，通过掺杂不同元素开发出了很多 Zr 基块体非晶合金。然而在 2004 年，多个课题组在 ZrCu 二元合金体系中成功制备得到了块体非晶合金。ZrCu 二元非晶合金的成功制备，使得研究人员认识到目前的经验准则存在很大的缺陷。与此同时，Zr 基非晶合金也表现出了优异的力学性能[16]。
与 ZrCu 二元体系相比，ZrCuAl 三元合金由于 Al 的加入具有更好的玻璃形成能力和机械性能。因此对于 ZrCuAl 三元合金已经有了很多的研究。
在几十年实验和模拟的研究之后已经有了长足的进步 Cheng 提出了二十面体结构是 Zr47Cu46Al7 合金中基本的局域结构，而且 Al 的加入可以增加二十面体的数量。Kim 等人发现在 Zr50Cu50 加入 Al 可以增加二十面体结构的数量因此可以提高 Cu47.5Zr47.5Al5 的玻璃形成能力和强度。然而，以 Al 为中心的最近邻团簇和中程序结构稳定性不高，会使得结构更加无序。Liu 通过第一性原理分子动力学模拟提出了公式来预测合金的玻璃形成能力而且将它成功地运用于(Zr0.5Cu0.5)100xAlx三元合金体系。随着 Zr 含量的增加，合金玻璃形成能力降低而塑性提高与 ZrZr 原子对有很大的关系。Zhang 等人发现 Zr64Cu26Al10 合金的压应变为 7.5%而Zr45Cu45Al10 基本上没有塑性应变。通过经典分子动力学模拟研究发现以 Cu 为中心的二十面体数量是导致这种现象的原因。Yu 等人报道 Zr46Cu46Al8 金属玻璃在等静压压缩之后的机械性能与自由体积、密度和结构相关[16]。
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