Cu基合金玻璃转变过程中动力学性质研究

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目前,非晶合金被广泛应用于各个领域,主要是因为其拥有更加优异且独特的性能。但是由于实验条件的不足,很难对非晶合金的性能进行有效调控,阻碍了非晶合金在应用基础研究和产业化技术上的进步。故本文利用分子动力学模拟技术,研究了Cu基合金玻璃转变过程中,温度以及成分变化对动力学性质的影响。首先,研究了Cu玻璃转变过程中,温度对动力学性质的影响。从均方位移曲线中,发现体系的温度越低,原子运动受到的限制越大,平台区域越明显,体系的动力学不均匀性越强。从扩散系数曲线中,得到体系的温度越低,扩散系数越小,而且高温阶段扩散系数与温度遵循Arrhenius方程,但随着温度的降低,扩散规律逐渐偏离Arrhenius方程。从非高斯参数曲线中,发现随着体系温度的逐渐下降,非高斯参数峰值逐渐增加,并向较长的弛豫时间区域移动,表明体系中动力学不均匀性的存在,而且这种不均匀性程度随着温度的降低而愈来愈强。同时发现在β弛豫阶段,非高斯参数随时间的变化符合幂律函数,且非高斯参数峰值及β弛豫时间与温度的关系均符合Arrhenius方程。之后又通过原子位移分布比例与温度的关系,得出体系的温度越低,原子的流动性越小,原子运动受到的束缚越大,使得运动位移分布范围比较集中,而当体系的温度比较高时,原子运动位移分布范围就比较广泛,同时发现原子位移分布比例最大值随温度的变化满足Arrhenius方程,而比例最大值对应的位移随温度的改变满足线性关系。然后,研究了Cu-Zr、Cu-Zr-Al合金玻璃转变过程中,成分变化对动力学性质的影响,发现在高温阶段,Cu-Zr、Cu-Zr-Al合金的扩散系数随温度的改变均满足Arrhenius方程,并随着温度的降低,扩散规律逐渐偏离Arrhenius方程。同时发现Cu-Zr、Cu-Zr-Al合金中成分变化对扩散系数的影响特别小,而且Cu-Zr合金中Cu含量越多,其扩散激活能越小,Cu-Zr-Al合金中Al含量越多,其扩散激活能越大。通过研究非高斯参数,发现Cu-Zr、Cu-Zr-Al合金的非高斯参数在β弛豫阶段与时间均满足幂律函数,而且低温条件下非高斯参数峰值随温度的变化都遵循Arrhenius方程,但高温条件下却不符合Arrhenius方程,其中幂律函数、Arrhenius方程中的参数数值接近。由此得到Cu-Zr、Cu-Zr-Al合金体系的成分变化对动力学性质影响较小。最后,针对Cu、Cu-Zr、Cu-Zr-Al三种非晶合金体系,进一步分析了合金中元素添加对扩散系数、非高斯参数峰值的影响,发现随着合金体系中元素的添加,扩散系数的突变温度(扩散系数偏离Arrhenius方程对应的温度)越来越大。同时Cu-Zr-Al非晶合金的非高斯参数峰值一直是最大的,从而得到Cu-Zr-Al具有较强的动力学不均匀性。由此分析得到,合金中的元素种类越多,其复杂性越强,形成的非晶合金的动力学不均匀性越强。
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