铁基非晶态合金机械性能与结构关系的第一性原理模拟计算

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本论文采用第一性原理分子动力学模拟计算方法,从短程序和中程序结构的角度研究了Fe80-xNixP14B6(x=0,20,30,40,50 at.%)和Fe80-xMoxP14B6(x=3,6,9 at.%)两个非晶态合金体系的机械性能与结构之间的关系,主要研究结果总结如下:(1)在第一个工作中,为调查Ni替代Fe导致Fe80P14B6块体非晶态合金的塑性显著提高的结构起源,我们利用第一性原理分子动力学模拟计算方法研究了Fe80-xNixP14B6(x=0,20,30,40,50 at.%)非晶态合金的短程序和中程序结构。结果发现,用Ni替代Fe引起B原子局域环境的显着变化。随着Ni对Fe的替换量的增加,B-B键的数量减少,并且在以B原子为中心的主要Voronoi多面体中,<0 3 6 0>多面体所占的比例减少,而<0 2 8 0>多面体所占的比例增加。除此之外,Fe-Ni-P-B非晶态合金的平均配位数随着Ni含量的增加而降低。B-B键的数量和平均配位数的减少有利于塑性变形,这可能解释了通过Ni替换Fe导致Fe-Ni-P-B非晶态合金塑性得到提高的原因。键对分析表明,随着Ni含量的增加,具有五次对称性的15xx键对所占的比例以及五边形的数量在减少,而非五次对称性的1431,142x和1311键对的数量在增加。这表明,对于Fe-Ni-P-B非晶态合金,短程序中五次对称性的减少有利于提高合金的塑性。对中程序结构的研究表明,随着Ni替代Fe含量的增加,共点连接方式增加,共边连接方式减少,这导致原子团簇的空洞和边界增加,从而有利于Fe-Ni-P-B非晶态合金塑性的提高。(2)第二个工作中,我们对Fe80-xMoxP14B6(x=3,6,9 at.%)非晶态合金进行模拟计算,调查了Mo少量替换Fe对Fe-Mo-P-B非晶态合金结构的影响,从而揭示该合金机械性能和结构之间的关系。从双体分布函数和Voronoi多面体分布可以看到,当Mo含量为6at.%时,合金中B-B键的数目、类二十面体<0 1 102>和完美的二十面体<0 0 12 0>Voronoi多面体所占的比例最多,相应的Fe74Mo6P14B6非晶态合金的强度在这个合金序列中最大,表明类二十面体Voronoi多面体的数量与目前非晶态合金的强度密切相关。随着Mo含量的增多,五边形所占的比例减少,而实验测得此时Fe-Mo-P-B非晶态合金的塑性变大,表明对于Fe-Mo-P-B非晶态合金,减少短程序中的五次对称性有利于提高塑性。态密度分析结果显示,当Mo含量为6at.%时,Fe/Mo的3d电子和P/B的p电子形成的p-d杂化键最少,这可能解释了Fe74Mo6P14B6非晶态合金塑性达到最大的实验结果。随着Mo含量的增多,Fe的3d能带负自旋极大值出现先增大后减小的情况,表明Fe原子间的相互作用先增大后减小,与实验测得的Fe-Mo-P-B非晶态合金压缩强度随Mo含量的变化趋势一致。对中程序结构的分析表明,随Mo对Fe的替换量的增加,Fe-Mo-P-B非晶态合金中共点连接方式先增加后减少,共边连接方式先减少后增加,共面连接方式的变化不大,即短程序原子团簇的空穴和边界先增加后减少,这将导致Fe-Mo-P-B非晶态合金的塑性先提高后降低,其与实验结果一致。
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