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摘要金属玻璃原子结构的研究有利于深入地了解其物理和力学性能，更好地应用于工业实际。本毕业设计对 Cu35Zr65-xAl x(x=5， 10， 15)三元合金进行第一性原理分子动力学模拟，通过对分布函数、键对分析法以及超常短键团簇原子结构模型等结构分析方法系统地研究了该合金系在快速冷却到玻璃态过程中的原子结构演变。 研究结果显示，随着温度的下降，该三元合金系径向分布函数峰的强度逐渐提高；以 Al原子为中心，周围聚集Zr、Cu原子的结构较为稳定，且适量的 Al原子即 10%更有利于二十面体结构的生成。键对分析表明合金中1551 键（二十面体结构）占了主要部分，且随着温度的降低而逐渐增加。另外，根据超常短键团簇模型，超过一半以上的原子对属于团簇区，且随着体系温度的下降，过渡区域所占百分比呈现上升趋势、自由体积区域下降。31004
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毕业论文关键词 第一性原理分子动力学模拟 Zr基 块体金属玻璃
Title Research on the local atomic structure of Zr-based ternary alloys with the AIMD simulation
Abstract Research on the atomic structure of metallic glass is conductive to have a thorough knowledge of their physical and mechanical properties , which can make it be tter used in industry. In my graduation design, there are three AIMD simulations with Cu35Zr65-xAl x(x=5, 10, 15) ternary alloys. Based on some methods of structural analysis including pair distribution function, bond pair analysis and the tight-bonds cluster model, the local atomic structure of this alloy system in the process of being rapidly cooled to glassy alloys is researched systematically. The results show that the PDF peak intensities of Cu35Zr65-xAl x begin to increase with temperature reduced. The atomic structure of Al atoms being in the center, gathered around Zr and Cu atoms is relatively stable. An appropriate amount of Al atoms (10%) is more conducive to the generation of icosahedral structure. Bond-pair analysis indicates that the number of 1551bonds is the main part in these alloys, and it increases with temperature. In addition, according to the tight-bonds cluster model, there are more than half of atoms belonging to the cluster zone. As the system temperature declines, the percentage of the interconnecting zone is on the rise while the percentage of free volume is on the fall.
Keywords AIMD simulation Zr-based Bulk metallic glass
目次
1绪论1
1.1金属玻璃发展概述1
1.2金属玻璃的原子结构模型2
1.3本论文的研究意义及内容5
2理论基础7
2.1第一性原理分子动力学模拟7
2.2VASP程序包8
2.3结构分析方法10
3Zr基三元合金的结构模拟12
3.1初始结构12
3.2Zr基三元合金的结构模拟过程13
3.3Zr基三元合金模拟结构分析13
结论24
致谢25
参考文献26
1.1 金属玻璃发展概述 20 世纪 30 年代末，克雷默[1,2]使用蒸发沉积的方法成功地制备出了第一个非晶态薄膜。不久之后，Brenner 和 Riddell 通过电化学沉积法制备出了 Ni -P 系非晶态薄膜[1-3]。1951 年特恩布尔[4] 在水银过冷实验的基础上提出了液态金属可以过冷到远离平衡熔点以下但并不产生形核与长大机制的观点，认为在一定条件下液态金属是可以冷却到玻璃态的。1960 年美国加州理工学院杜韦兹[5]课题组发明了一种急冷金属液体的铜辊快速淬火技术，该种快速淬火利用喷枪技术，使得其冷却速度达到了105~106K/s量级，并且在该冷却条件下，Au75Si 25金属熔体略过结晶相的形核和生长过程直接形成了过冷液体，即金属玻璃。因此， Turnbull和Duwez是金属玻璃领域奠基人的论断是不容否认的。经过对金属玻璃开展的大量理论和实验方面的研究，发现金属玻璃具有优于晶体材料的力学和化学性能，如高强度高韧性，优良的抗腐蚀性和化学催化作用[6]。 1974 年贝尔实验室的H.S.Chen等人在对Pd-Cu-Si熔体的研究中，在约 103K/s的冷却速度条件下得到了直径达到毫米级的非晶棒。一年之后又发现了两种块体金属玻璃材料Pt-Ni -P、Au-Si -Ge。1982~1984 年特恩布尔等人在仅约10K/s的冷却速度下，利用氧化物包覆技术成功制备出了著名的 Pd-Ni -P 金属玻璃，这种金属玻璃的尺寸达到了厘米级[7,8]。至此，块体金属玻璃(Bulk Metallic Glass简称BMG)问世。 但是由于这些合金体系中都含有贵金属(如Pd、Au、Pt)，价格很高，因此较难商业化生产，人们对金属玻璃的兴趣大多仅限于学术上的研究。20 世纪 80 年代后期，日本东北大学 A.Inoue 教授等人以普通元素为原料，通过多元合金化的方法，相继发现了一系列具有高GFA的块体金属玻璃系，如 Ln-Al -TM、Mg-Ln-TM等三元合金(其中 Ln表示镧系元素，TM 表示过渡族金属元素)，以及诸多四元、五元块体金属玻璃，其临界冷却速度均在 100K/s 以下，临界厚度可以达到毫米更甚至到厘米量级[9-11]。其中，Zr-Al -Ni -Cu合金系可得到30mm尺寸的块体金属玻璃[11]，为工业应用提供了实际可操作性。1997 年 Inoue 等人在 Pd40Ni 40P20金属玻璃的基础上利用元素置换的方法即以铜替换百分之三十的镍，成功制备出 Pd40Cu30Ni 10P20 块体金属玻璃，使其临界厚度突增至 75mm，是当前GFA最高的合金体系。这些重大发现，成功吸引了更多的专家学者投入到 BMGs的研究中。