Cu-Zr基非晶合金結構及動力學數值模擬.pdf

1、非晶合金的各種優(yōu)異性能與其獨特的原子結構特征存在內在的、直接的關系。因此，研究非晶合金的原子結構有利于深入地理解非晶合金的各種性能，并且可以加深對玻璃轉化現(xiàn)象的認識。
　　本文主要采用數值模擬方法，研究了Cu-Zr合金中的短程序結構，給出了原子團簇的堆積方式；探討了短程序結構隨著溫度的演化以及與成分的關系；研究了合金的動力學和熱力學性質，表征了擴散系數和熱膨脹系數與成分的關系。結合已有的實驗結果，闡明了Zr-Cu-Ni-Al四元合

2、金系的結構與成分的關系，揭示了結構與玻璃形成能力的可能關系。本文的主要研究內容如下：
　　非晶合金中存在二十面體團簇，但是，在二元合金中，二十面體團簇的堆積方式并不清楚。本文研究了Cu60Zr40二元非晶合金中的短程序結構，給出了二十面體團簇的堆積方式。研究結果表明，在該合金中，存在兩種短程序團簇，一種是以Zr原子為中心、平均配位數為14.7的團簇，另一種是以Cu原子為中心、平均配位數為11.6的團簇。二十面體團簇都是以Cu原子為

3、中心，并且主要以相互貫穿的方式形成彎曲的鏈條式結構。鏈條中二十面體團簇的數量介于3～11個之間，從而形成中程有序結構。這種中程序結構在合金中相互離散地、無規(guī)則地分布，使合金中的二十面體團簇區(qū)域和非二十面體團簇區(qū)域相互交錯和鑲嵌，表現(xiàn)出原子尺度上的結構不均勻性。
　　Cu60Zr40合金中原子短程序結構隨溫度的變化關系表明，二十面體團簇主要是在玻璃轉變溫度Tg以上約200 K的溫度范圍內形成，在此過程中，體系的平均配位數和最近鄰鍵長

4、基本保持不變，原子的排列方式變得更加有序。
　　對Cu60Zr40合金中原子的動力學性質研究發(fā)現(xiàn)，當溫度高于1200K時，原子的弛豫可以分為兩個階段，在短時間段原子作振動，此后，原子的運動表現(xiàn)為液體的流動。當溫度低于1100 K時，在β弛豫時間段出現(xiàn)籠子效應。合金中Cu原子的擴散比Zr原子快。根據模式耦合理論（MCT），計算得到了Cu60Zr40合金的臨界玻璃轉變溫度Tc，其數值為1008.2 K。對擴散系數的擬合結果表明，在液態(tài)

5、，MCT冪指數方程比 Vogel-Fulcher-Tammann方程更適合于描述合金的動力學性質，從而驗證了 MCT理論。在過冷液相區(qū)，體系的動力學具有不均勻性，隨著溫度的降低，動力學不均勻性逐漸加強。合金中原子具有不同的弛豫機制，Cu原子的擴散存在激活跳躍過程，而Zr原子的擴散則沒有這一過程。
　　通過對不同成分合金樣品的制備、測試分析，研究了Cu-Zr合金的玻璃形成能力，發(fā)現(xiàn) Cu50Zr50合金的玻璃形成能力最大，合金中主要

6、的競爭晶化相是 Cu10Zr7相。通過數值模擬分析發(fā)現(xiàn)，合金中團簇的化學短程序隨成分發(fā)生明顯改變。在所研究的成分范圍內，隨著 Cu含量的增加，以 Cu原子為中心的團簇的平均成分從Cu5Zr8變化為 Cu8Zr5，以 Zr原子為中心的團簇的平均成分從 Cu7Zr9變化為Cu11Zr5。局域化學短程序的變化促進了 Cu10Zr7相的產生，從而對合金的玻璃形成能力產生顯著的影響。
　　Cu-Zr合金的熱力學性質和動力學性質隨成分發(fā)生變化

7、。對合金熱力學性質的研究發(fā)現(xiàn)，在液態(tài)和玻璃態(tài)，合金的熱膨脹系數隨成分的變化滿足不同的線性變化規(guī)律，變化率數值分別為0.275和0.015。Cu50Zr50合金液體的熱膨脹系數最小，熱穩(wěn)定性最強，從而解釋了其強的玻璃形成能力。對合金的動力學性質研究發(fā)現(xiàn)，在不同的溫度區(qū)間，成分變化對擴散系數的影響不同。在高溫區(qū)(T＞1300 K)，Cu、Zr原子的擴散系數不隨成分的變化而發(fā)生變化，并且滿足Arrhenius關系。在過冷液相區(qū)(1300 K＞

8、 T＞1000 K)，用Vogel-Fulcher-Tammann方程對擴散系數進行擬合，得到的激活能數值表明，在所研究的四種合金中，Cu64Zr36合金的動力學穩(wěn)定性最強。
　　根據同步輻射高能 XRD實驗結果，采用逆蒙特卡羅方法，構建了Zr53Cu18.7Ni12Al16.3，Zr51.9Cu23.3Ni10.5Al14.3和Zr50.7Cu28Ni9Al12.3三種塊體非晶合金的原子結構，研究了三種合金結構的差異，發(fā)現(xiàn)隨著C

9、u含量的增加，配位數為CN=11及CN=12的多面體團簇的數量增加，配位數為CN=8及CN=9的多面體團簇數量減少。對各元素的團簇結構分析結果表明，隨著Cu含量的增加，以Zr和Al原子為中心的團簇中，配位數為CN=11及CN=12的多面體團簇數量增加，配位數為CN=9及CN=10的多面體團簇數量減少。Cu含量的增加使非晶合金中以Zr和Al原子為中心的團簇轉化為原子數量更多的原子團簇。在三種合金中，原子的分布存在不均勻性，表現(xiàn)為局域原子密