论文部分内容阅读
Fe基非晶态合金由于具有良好的软磁性能,近几年来引起了人们的广泛研究。现在非晶大多通过淬冷液态合金的方法得到,Fe基非晶合金中大多含B,所以研究Fe-B二元合金系中非晶形成区的熔体结构特征,对于寻求新的Fe基非晶合金具有重要的指导意义。本文利用基于第一性原理的从头算分子动力学(AIMD)方法,辅助逆蒙特卡罗(RMC)计算机模拟等手段,研究了FeB二元合金系的熔体结构和三元FeSiB合金淬冷过程中的结构演化。对于FeB二元合金系,通过AIMD计算得出熔体结构信息,得到了偏偶相关函数,研究发现,随着成分的变化,gFeFe(r)、gFeB(r)、gBB(r)的第二峰出现劈裂现象,并且随着B含量的增加,劈裂现象越来越明显,说明在过热熔体阶段第二峰已经开始有劈裂的迹象。通过Voronoi多面体分析发现,在B含量为10%-30%的成分范围内,Fe原子和B原子周围的局域结构具有一定的规律性。B周围几乎被三棱柱结构的Fe原子包围,Fe周围数目最多的(0,2,8,2)多面体,(0,3,6,3)多面体含量变化不大,而表征完整二十面体的(0,0,12,0)多面体指数含量很低,说明在此区域内,合金熔体中已经存在一定的主导团簇单元。研究还发现超出此区域,多面体统计表现出很强的混乱性,所以熔体通过快冷做成非晶的可能性降低。动力学性能表明,Fe原子和B原子的扩散表现出相似的变化趋势,这是由于温度很高的缘故,同时发现在B含量在10%-30%的成分范围内两种组分原子的扩散系数较低,并且数值相近,说明Fe和B原子趋向于共同运动,倾向于形成团簇,而在此区域之外,B原子的扩散系数值比Fe原子的大好几倍,一方面是由于B原子尺寸较小,另一方面,说明形成团簇的可能性降低。通过化学序的分析发现,化学短程序在50%时最为强烈,说明FeB二元合金的GFA与化学短程序变化趋势不一致,说明两者相关性不大不大,而与几何短程序的关联更大。在前面FeB二元合金系的讨论基础上,继续通过AIMD和RMC相结合的方法研究了Fe78Si9B13合金液态到非晶态转变过程中局域结构的信息,得到了液态和非晶态时的偏偶相关函数曲线,通过对比Fe78Si9B13合金液态和非晶态的结构信息发现,Fe原子和B原子周围的局域结构变化不大,而两种状态下最显著的结构变化,就是合金在非晶态时几乎所有的Si原子只和Fe原子配位从而形成类似DO3结构的团簇单元。并且通过RMC方法,给出了Fe78B13Si9合金非晶态时组分原子三维结合图像。研究结果表明,Fe78B13Si9非晶合金中B和Si原子主要被Fe原子包围,B与Si原子彼此难以作为第一近邻,但是非晶合金中可能存在少量Si-Si原子团簇。为了提供合金在淬冷过程中不同温度时的局域结构信息,近一步研究了Fe78Si9B13合金从1473K淬冷到300K过程中的结构演变,研究发现,在1473K时,偏偶相关函数上出现了第二峰劈裂的迹象,但是在总偶相关函数上没有此类现象。随着温度的降低,Si原子周围的完整二十面体数量越来越多,B原子的周围液态时(0,3,6,0)多面体数量较多,这与Fe3B结构相似,但是在非晶态时B周围的变形(0,3,6,0)多面体成为结构特征,这是由于Si原子的作用,占据了B原子的配位层,使得结构发生变形。研究还发现,在各个计算的温度点,Fe和Si原子的扩散系数值接近,在1173K温度以上,B原子的扩散系数比Fe和Si原子的扩散系数要大得多,但是它下降的速度比Fe和Si原子的也要大得多,从1173K到873K温度区间内,三种原子扩散系数的数值趋于一致,我们认为这个温度范围为过冷液相区,并且873K为Fe78Si9B13合金玻璃转变温度。