原子间势在预测玻璃形成中的作用

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金属玻璃因其优异的物理、力学和化学性能引起了人们广泛的关注。相比于传统的金属材料而言,金属玻璃在强度,硬度,韧性及模量等方面都表现出更好的性能,但因为其存在脆性、玻璃形成能力差等问题极大的限制了它的广泛应用。因此,理解决定玻璃形成能力的关键因素,找到一个有效的玻璃形成能力判据一直是金属玻璃研究领域的热点问题。研究原子间势的作用是了解玻璃形成的微观根源的一种基本途径。然而,被视为评估金属玻璃形成重要指标的玻璃形成能力,却缺乏这方面的考虑,亟需开展系统的研究。本文从原子势特征的角度,研究了 Cu-Zr及Cu-Zr-Al体系的液态结构、动力学演变及其对玻璃形成的影响规律,探讨了原子势静态和动态变化特征影响玻璃形成能力的物理机制。主要研究内容如下:(1)以二元Cu-Zr金属玻璃为研究对象,研究了原子间势影响金属液体性质的微观机理,找到了原子间相互作用势与合金微观特性之间的联系。在微观结构方面,相互作用势中排斥作用是影响双体分布函数g(r)、Voronoi多面体以及不同特征团簇空间相关性等结构特性的主要原因;通过研究在液固演变过程中的团簇脆性、均方根位移,以及低频振动模的参与度,找到了相互作用势中吸引部分决定液体动力学行为的证据。这一研究有助于理解原子相互作用对液体微观结构、动力学以及玻璃形成的影响,有助于进一步从原子角度深入认识影响玻璃形成的根本原因。(2)以Cu-Zr-(Al)体系为研究对象,采用LAMMPS分子动力学模拟的方法,研究了元素的少量添加与玻璃形成之间的关系。为了解决这个问题,我们提出了一个简单的参数α’,它由原子间相互作用势的本征特点—热膨胀系数衍生而来,在本质上反映了吸引力的非简谐性。参数α’可以精准预测玻璃形成能力随着元素的少量添加而发生的变化,表明原子非简谐性振动在玻璃形成中的重要作用。这个由非简谐性衍生的参数α’不仅与原子移动能力有关,而且与液固演变过程中不同类型特征团簇的脆性变化趋势密切相关。这项工作不仅有助于从原子间相互作用势角度发现玻璃形成的起源,而且还提供了一个新的途径来更为精确的评估少量添加元素对玻璃形成能力的影响。
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