非晶态合金的原子结构是揭示玻璃转变本质和理解其优异性能的基础,因而成为非晶领域中最基本的科学问题之一。本文利用分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟手段,通过对体系的势能、体积、对分布函数、键对分析、配位数、原子瞬时构型、Voronoi多面体、均方位移与扩散系数等信息进行系统分析,研究了金属及合金液-固转变过程中的结构演变和非晶结构的中短程局域结构及原子堆垛机制,并对非晶在等温及连续升温晶化过程中的结构转变与原子运动机制进行了深入分析。主要研究内容包括：　　 ⑴为了获得研究熔体凝固过程所需要的初始液态构型,首先采用MD模拟了金属Ni,Al及合金Ni75Al25升温熔化过程,并获得了可靠的熔体结构。为了研究冷却速率对凝固过程中结构演变及室温结构的影响,对熔体在不同冷却速率下的凝固过程进行了MD模拟。结果表明,在一定冷却速率下可获得具有一维(1D),二维(2D)周期性的准有序过渡结构,这些过渡结构由一系列相互平行的具有面心立方(fcc)和密排六方(hcp)结构的密排面构成。　　 ⑵运用对分布函数、键对、配位数及Voronoi多面体等分析方法,对Ni和Al非晶形成过程中的结构演变与非晶金属中的短/中程局域有序结构进行了系统研究。在4×1013K/s冷速下MD模拟得到的非晶态Ni的玻璃转变温度与对分布函数曲线与已报道的实验值符合较好:Voronoi分析表明,非晶态Ni中二十面体团簇占主导地位,二十面体短程序通过共点、共线、共面、嵌套四种基本连接方式扩展成二十面体中程序(IMRO)。由于二十面体具有与晶体对称性不相容的五次对称特征,二十面体的大量存在使过冷液体更加稳定,抑制结晶的发生,从而有利于非晶的形成。而以5×1012K/s冷速获得的非晶态Al中除二十面体团簇外还存在着大量具有畸变体心立方(bcc)结构的团簇,畸变的bcc团簇相互连接,构成bcc类型的中程序。由于bcc结构的对称性与fcc结构相近,这些bcc类型中程序比IMRO更容易转变为fcc-Al晶体。　　 ⑶用对分布函数分析Ni75Al25,Zr66.7Ni33.3,Cu50Zr50二元非晶合金的形成过程,冷至300K时各原子对间的偏对分布函数和总对分布函数曲线第二峰均发生劈裂,表明非晶结构的形成;液固转变过程中不同原子对之间的偏对分布函数曲线开始发生劈裂的温度不尽相同。熔体和非晶中异类原子间的偏对分布函数曲线强度最高,表明异类原子间的相互作用较强,与Warren-Cowley化学短程序参数分析结果相一致,三种非晶合金中异类原子之间的化学吸引作用较强。　　 ⑷用键对和Voronoi多面体分析方法对上述三种非晶合金形成过程中的结构演变、非品的局域结构及原子堆垛机制进行了深入研究。键对分析表明,非晶合金形成过程中1551,1541,1431键对占主导地位。在三种合金中,这三种键对数量随温度的变化规律一致,即:1551,1541键对的数量随温度降低而单调升高,1431键对数量在液固转变过程中数量先升高后降低。Voronoi多面体分析显示,组元原子半径差较小的Ni75Al25非晶合金中以Ni原子为中心的配位体以二十面体为主,而以Al原子为中心的配位环境中二十面体与畸变bcc团簇共存。对于组元原子半径差较大的Cu50Zr50非晶合金,以Cu原子为中心的配位体主要为配位数较少的Bernal多面体和二十面体结构,而以Zr原子为中心的几何近邻主要为配位数较多的畸变二十面体和Frank-Kasper多面体结构。　　 ⑸利用MD模拟研究了熔体Ni,Al,Ni75Al25在慢速冷却结晶过程与非晶Ni等温及连续升温晶化过程由无序到有序的结构演变,阐明了由无序结构到三维有序晶体结构的演变规律及原子运动机制。其有序化过程的演变顺序为:长程无序结构—1D周期性有序结构—2D周期性有序排列—3D周期性晶体结构。该结果证实了以前的实验观察。　　 ⑹在现有计算自由体积方法的基础上,通过计算非晶合金中实际自由体积与球状自由体积的比值得到了修正球状自由体积的形状修正因子。从原子尺度上计算了Zr66.7Ni33.3非晶形成过程中自由体积的变化,得到球状自由体积的形状修正因子来修正球状自由体积公式,进而获得Zr66.7Ni33.3非晶合金在玻璃转变温度时每个原子周围的自由体积,其概率分布符合Turnbull和Cohen提出的自由体积概率分布曲线,证实了计算自由体积计算方法的合理性。