液態(tài)及非晶態(tài)FeB基二元和三元合金局域結(jié)構(gòu)的第一性原理研究.pdf

1、Fe基非晶態(tài)合金由于具有良好的軟磁性能，近幾年來(lái)引起了人們的廣泛研究?，F(xiàn)在非晶大多通過(guò)淬冷液態(tài)合金的方法得到，F(xiàn)e基非晶合金中大多含B，所以研究Fe-B二元合金系中非晶形成區(qū)的熔體結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于尋求新的Fe基非晶合金具有重要的指導(dǎo)意義。 本文利用基于第一性原理的從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）方法，輔助逆蒙特卡羅（RMC）計(jì)算機(jī)模擬等手段，研究了FeB二元合金系的熔體結(jié)構(gòu)和三元FeSiB合金淬冷過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化。 對(duì)于FeB

2、二元合金系，通過(guò)AIMD計(jì)算得出熔體結(jié)構(gòu)信息，得到了偏偶相關(guān)函數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著成分的變化，gFeFe（r）、gFeB（r）、gBB（r）的第二峰出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，并且隨著B(niǎo)含量的增加，劈裂現(xiàn)象越來(lái)越明顯，說(shuō)明在過(guò)熱熔體階段第二峰已經(jīng)開(kāi)始有劈裂的跡象。通過(guò)Voronoi多面體分析發(fā)現(xiàn)，在B含量為10％-30％的成分范圍內(nèi)，F(xiàn)e原子和B原子周圍的局域結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)律性。B周圍幾乎被三棱柱結(jié)構(gòu)的Fe原子包圍，F(xiàn)e周圍數(shù)目最多的（0，2，8，2

3、）多面體，（0，3，6，3）多面體含量變化不大，而表征完整二十面體的（0，0，12，0）多面體指數(shù)含量很低，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)，合金熔體中已經(jīng)存在一定的主導(dǎo)團(tuán)簇單元。研究還發(fā)現(xiàn)超出此區(qū)域，多面體統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的混亂性，所以熔體通過(guò)快冷做成非晶的可能性降低。動(dòng)力學(xué)性能表明，F(xiàn)e原子和B原子的擴(kuò)散表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，這是由于溫度很高的緣故，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在B含量在10％-30％的成分范圍內(nèi)兩種組分原子的擴(kuò)散系數(shù)較低，并且數(shù)值相近，說(shuō)明Fe和B原子趨

4、向于共同運(yùn)動(dòng)，傾向于形成團(tuán)簇，而在此區(qū)域之外，B原子的擴(kuò)散系數(shù)值比Fe原子的大好幾倍，一方面是由于B原子尺寸較小，另一方面，說(shuō)明形成團(tuán)簇的可能性降低。通過(guò)化學(xué)序的分析發(fā)現(xiàn)，化學(xué)短程序在50％時(shí)最為強(qiáng)烈，說(shuō)明FeB二元合金的GFA與化學(xué)短程序變化趨勢(shì)不一致，說(shuō)明兩者相關(guān)性不大不大，而與幾何短程序的關(guān)聯(lián)更大。 在前面FeB二元合金系的討論基礎(chǔ)上，繼續(xù)通過(guò)AIMD和RMC相結(jié)合的方法研究了Fe78Si9B13合金液態(tài)到非晶態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中

5、局域結(jié)構(gòu)的信息，得到了液態(tài)和非晶態(tài)時(shí)的偏偶相關(guān)函數(shù)曲線，通過(guò)對(duì)比Fe78Si9B13合金液態(tài)和非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)信息發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e原子和B原子周圍的局域結(jié)構(gòu)變化不大，而兩種狀態(tài)下最顯著的結(jié)構(gòu)變化，就是合金在非晶態(tài)時(shí)幾乎所有的Si原子只和Fe原子配位從而形成類似DO3結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇單元。并且通過(guò)RMC方法，給出了Fe78B13Si9合金非晶態(tài)時(shí)組分原子三維結(jié)合圖像。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e78B13Si9非晶合金中B和Si原子主要被Fe原子包圍，B與Si原子

6、彼此難以作為第一近鄰，但是非晶合金中可能存在少量Si-Si原子團(tuán)簇。 為了提供合金在淬冷過(guò)程中不同溫度時(shí)的局域結(jié)構(gòu)信息，近一步研究了Fe78SiB13合金從1473K淬冷到300K過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變，研究發(fā)現(xiàn)，在1473K時(shí)，偏偶相關(guān)函數(shù)上出現(xiàn)了第二峰劈裂的跡象，但是在總偶相關(guān)函數(shù)上沒(méi)有此類現(xiàn)象。隨著溫度的降低，Si原子周圍的完整二十面體數(shù)量越來(lái)越多，B原子的周圍液態(tài)時(shí)（0，3，6，0）多面體數(shù)量較多，這與Fe3B結(jié)構(gòu)相似，但是在

7、非晶態(tài)時(shí)B周圍的變形（0，3，6，0）多面體成為結(jié)構(gòu)特征，這是由于Si原子的作用，占據(jù)了B原子的配位層，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。研究還發(fā)現(xiàn)，在各個(gè)計(jì)算的溫度點(diǎn)，F(xiàn)e和Si原子的擴(kuò)散系數(shù)值接近，在1173K溫度以上，B原子的擴(kuò)散系數(shù)比Fe和Si原子的擴(kuò)散系數(shù)要大得多，但是它下降的速度比Fe和Si原子的也要大得多，從1173K到873K溫度區(qū)間內(nèi)，三種原子擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值趨于一致，認(rèn)為這個(gè)溫度范圍為過(guò)冷液相區(qū)，并且873K為Fe78Si9B13合金