金属玻璃由于其无序的原子排列而具有很多独特的性能,其中Fe基金属玻璃具有相对低廉的价格、优异的力学、软磁性和强耐腐蚀性能,备受人们关注,但其较低的玻璃形成能力限制了它们的工程应用。材料的微观结构决定了宏观性能,因此从微观原子尺度了解金属玻璃结构及其形成机理有利于开发出更高玻璃形成能力和高性能的金属玻璃体系。此外,金属玻璃一般由金属熔体快速冷却制备,但人们对金属熔体的原子结构及其演变规律、形核等过程的了解并不深入,所以从低熔点金属出发来研究液体结构及其极端条件下的结构演变规律有助于新材料的开发。本论文主要采用同步辐射X射线衍射和吸收谱技术结合理论计算,从原子尺度研究了微量元素的添加对金属玻璃结构及其玻璃形成能力的影响,分析了 Ga-In金属液体高温、高压极端条件下的结构及其演变规律,探讨了金属液体的形核过程。具体研究内容如下所示:第一章简单介绍了金属玻璃的发展,潜在应用,形成机制和相关结构模型,同时讨论了金属液体的结构特征和研究进展。第二章主要介绍了本论文用到的金属玻璃和金属液体的实验测量技术和比较流行的理论模拟方法。其中实验测量技术包括X射线衍射,X射线吸收谱;理论模拟方法包括经典分子动力学模拟,从头算分子动力学模拟和逆蒙特卡罗模拟。同时介绍了几种常用的结构分析方法,包括双体相关函数,结构因子,键角分布函数,Voronoi分形,键取向序参数,原子团簇校正方法和最近邻关系指数分析。第三章利用高能X射线衍射和扩展X射线吸收精细结构实验测量结合逆蒙特卡罗模拟和从头算分子动力学模拟,从原子尺度探讨了 Y,Nb元素的微量添加对Fe-B金属玻璃形成能力的影响机理。发现Y原子最可能占据Fe23B6相的大配位8c位置而原子半径相对较小的Nb原子倾向于进入32f位,在金属玻璃制备和退火过程中,促进形成类(Fe,Y,Nb)23B6复杂相,增加了晶体相析出难度和非晶相的稳定性,极大地提高了玻璃的形成能力。研究还表明,随着Y和Nb的加入,以Fe原子为中心的二十面体和类二十面体团簇含量明显增加,类二十面体团簇自身以及类二十面体与大团簇之间更倾向于穿插连接。研究还发现金属玻璃中的原子在三维空间中并不是均匀分布的,存在着元素的富集和贫瘠区域,Y和Nb元素的微量添加加剧了元素分布的不均匀性,使得凝固过程中形核生长的原子迁移时间增长,从而抑制了晶体相的析出,提高了玻璃的形成能力。第四章利用高温高能原位XRD和从头算分子动力学模拟,研究了不同成分Ga-In合金的液体结构和温度诱导的液液转变机理,并探讨了 Ga85.8Ini4.2共晶合金过冷液相区的结构演变及随后的凝固晶化现象。研究发现,熔点以上Ga20In80,Ga50In50,Ga70In30和Ga85.8Iti14.2四种不同成分液体合金中都存在着液液转变现象,出现了高温和低温两种局域结构不同的液体状态。理论分析结果显示这种异常结构转变主要是In原子的偏聚造成,约600 K以上高温区原子分布比较均匀且局域结构对温度并不敏感,而600 K以下低温区In原子偏聚随温度降低愈加明显。进一步探讨了 Ga85.8In14.2共晶合金过冷液体结构,发现从熔点以上降温到过冷液相区以及在过冷液相区冷却过程中并无异常结构转变发生,但在In原子偏聚区优先形成局域有序结构,促进液体凝固。理论结果显示过冷液体最后凝固形成与体心四方的In-I和Ga-III局域结构类似的有序结构,实验结果显示过冷液体晶化形成了正交Ga-I和体心四方的In-I相的混合结构。理论和实验晶化结构的不同可能是由于冷却速度的差异或者体系尺寸及边界条件的影响。第五章主要利用高温高压原位XRD和从头算分子动力学模拟,研究了 Ga85.8In14.2共晶合金高温高压极端条件下的液体结构及演变规律,并构建了 Ga85.8In14.2共晶合金高温高压“相图”。研究表明,无论在低温区(300 K)还是高温区(700 K)等温加压过程中,均未发现压力诱导的液液转变现象。理论结果显示,液体凝固初期存在相的选择,不同温度条件下压力诱导无序液体到有序固体转变机理不同。600 K及其以下温度(300,350,400,500和600 K)等温加压,液体首先形成类bcc局域有序结构再转变成稳定的类fcc有序体,而600 K温度以上(650,673和700 K)等温加压,液体可直接形成类bcc为主的稳定结构。第六章总结了博士期间的主要工作并展望了下一步有必要开展的研究工作。