快凝條件下液態(tài)Cu-Zr合金團(tuán)簇結(jié)構(gòu)遺傳與演化特性的模擬研究.pdf

1、非晶合金的玻璃形成能力與其熔體局域原子結(jié)構(gòu)有著內(nèi)在的、直接的聯(lián)系。因此，研究快凝條件下液態(tài)合金中團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的遺傳與演化特性，不僅可以加深對(duì)玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，還有助于從結(jié)構(gòu)的角度理解玻璃形成能力。為此，本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬研究了不同條件下液態(tài)Cu-Zr合金的快速凝固過程;運(yùn)用雙體分布函數(shù)、Honeycutt-Andersen(H-A)鍵型指數(shù)、擴(kuò)展原子團(tuán)類型指數(shù)(CTIM)等方法對(duì)系統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了表征和分析;進(jìn)一步采用原子軌

2、跡逆向跟蹤方法探究了快凝合金液體和過冷液體中團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的遺傳與演化特性，揭示了團(tuán)簇結(jié)構(gòu)遺傳性與玻璃形成能力間的內(nèi)在關(guān)系。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　采用Finnis-Sinclair(F-S)多體勢(shì)，首先模擬研究了液態(tài)Cu50Zr50合金在5K/ns冷速下的快速凝固過程。結(jié)果表明:合金液體和快凝固體中主要的原子組態(tài)是(1212/1551)規(guī)則二十面體和(128/15512/15412/1431)缺陷二十面體，它們中比例最高的均是以

3、Cu原子為中心的Cu6Zr7原子團(tuán)，其次為Cu7Zr6和Cu8Zr5團(tuán)簇。由(1212/1551)規(guī)則二十面體基本團(tuán)簇以穿透共享模式鉸鏈形成的二十面體中程有序的尺寸分布在液相和玻璃固相中分別呈現(xiàn)出13，19，23,…和13，19，23，25，29，37，…的幻數(shù)特征。團(tuán)簇的演化與跟蹤分析發(fā)現(xiàn):沒有任何團(tuán)簇能從液體直接遺傳到固態(tài)玻璃合金，二十面體團(tuán)簇遺傳的起始溫度Tonset位于Tm～Tg過冷液相區(qū)。二十面體團(tuán)簇的遺傳以完全和直接遺傳為主

4、，其遺傳分?jǐn)?shù)fi在Tg附近顯著增加。在Tg以下，(1212/1551)規(guī)則二十面體團(tuán)簇的完全遺傳分?jǐn)?shù)fp遠(yuǎn)高于其核遺傳分?jǐn)?shù)fc與碎片遺傳分?jǐn)?shù)fs。相對(duì)于(128/15512/15412/1431)缺陷二十面體，(1212/1551)規(guī)則二十面體具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)遺傳能力，但僅有少部分在遺傳過程中能保持化學(xué)成分不變。通過部分遺傳，某些二十面體中程有序也能夠從過冷液體中被遺傳到玻璃合金。
　　進(jìn)一步研究了不同冷速和壓力條

5、件下快凝Cu56Zr44合金中二十面體團(tuán)簇的遺傳特性及其與玻璃形成能力間的關(guān)系。隨著冷速增加，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg隨著(l)gγ線性上升，但二十面體的團(tuán)簇化程度降低，特別是在300K～Tg溫度區(qū)間。提高γ不僅可以增加Tg以上的fp和fs，而且Tonset也會(huì)隨之升高。當(dāng)γ＞105K/ns時(shí)，(1212/1551)規(guī)則二十面體團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)遺傳甚至可以出現(xiàn)在Cus6Zr44合金的液相區(qū)。壓力P對(duì)二十面體團(tuán)簇的遺傳行為和可遺傳能力也有顯著的影

6、響。隨著P的增加，不僅Tonset會(huì)隨之升高，而且Tg以上溫度區(qū)間的fi也顯著增加，特別是fp。依賴于P的玻璃形成能力可以用相對(duì)遺傳起始溫度△Tc和約化遺傳過冷度Ks來近似地估計(jì)。
　　最后本文系統(tǒng)地研究了液態(tài)CuxZr100-x合金快速凝固過程中二十面體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)遺傳性與玻璃形成能力間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn):二十面體團(tuán)簇，特別是二十面體中程有序?qū)uxZr100-x金屬玻璃的形成起主要作用。二十面體團(tuán)簇的遺傳性是快凝CuxZr100-x

7、合金的固有屬性，但Tonset僅出現(xiàn)在Tm～Tg過冷液相區(qū)。以過冷液體中遺傳而來的二十面體團(tuán)簇作為參考，發(fā)現(xiàn)過冷液體中的二十面體中程有序到快凝固體的直接和連續(xù)遺傳與CuxZr100-x玻璃合金的形成密切相關(guān)。遺傳的相對(duì)數(shù)量fcore(T)和fatom(T)不僅是玻璃轉(zhuǎn)變的度量，而且300K的數(shù)值fcore(300K)和fatom(300K)可以用來大致地估計(jì)快凝過程中CuxZr100-x合金玻璃形成能力隨Cu濃度x的變化。選擇Tonse