本文回顾了凝固科学的发展历程,介绍了液态金属的快速凝固的理论、工业应用和计算机模拟在科学研究和工业生产中的重要作用。简述了分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟研究的起源、发展和应用:从基本原理到具体实现,包括原子间相互作用势、模拟系综和计算机算法等。重点描述了本文采用的微观结构分析的关键方法——团簇类型指数法(Cluster Type Index Method-3,CTIM-3)。本文主要是采用分子动力学模拟方法,并结合双体分布函数、HA键型指数法和团簇类型指数法等微观结构表征方法,从不同角度、不同层次,系统考察了液态金属铜(Cu)及铜锆合金(Cu-Zr)在快速凝固过程中相转变的微观结构演变机制。首先,采用分子动力学方法,模拟研究了液态金属Cu在1×1012 K/s冷速下的结构演化过程中。能量与温度曲线的突变表明,在此冷速下体系经历了结晶过程,且根据能量曲线的斜率改变可确定结晶起始温度和结束温度为707 K和622K。采用CTIM-3方法,对体系中数量最多的基本原子团簇(涉及体系80%以上的原子)的演变过程进行了详细分析。基本原子团簇所占百分比的增减变化清晰地显示,从液态到晶态的相转变经历了几个逐步递进的阶段(有部份重叠),且的确是通过“步进”来完成的。尤其发现:在结晶之前,二十面体结构在T∈(792K,745K)区间存在一个数量饱和的阶段,此饱和状态对于稳定过冷液体和孕育晶化先驱--亚稳体心立方bcc结构起着非常重要的作用。过渡结构bcc-like团簇在此饱和温度区间开始迅速增长,bcc团簇在此饱和阶段结束之际开始迅速增长,而非晶体ico-bcc-like团簇在此饱和阶段始终保持迅速增长。而在相转变起始温度707 K,ico-bcc-like团簇开始迅速减少,稳定的面心立方fcc团簇开始迅速增加。在相转变结束温度622 K,只有fcc团簇还保持较大的增长速率,而得到300 K时fcc为主体的晶体结构。Cu的快速凝固过程中经历了二十面体饱和阶段和bcc亚稳态,因此Cu的结晶过程遵循Ostwald提出的“步进原则”。进一步采用分子动力学方法,模拟研究了包含100万原子的Cu64.5Zr35.5合金体系在快速凝固过程中纳米团簇的形成与演变机制。采用CTIM-3表征方法分析系统的微观结构,发现:过冷液体与非晶固体中所占百分比最高的基本原子团簇为二十面体,其主体结构由二十面体之间相互连结而成的大团簇构成,尤其是二十面体通过1551键型共心连接形成稳定的不同尺寸的纳米级IS-ICO团簇。特别发现:在非晶固体(300 K)中,IS-ICO纳米团簇的尺寸分布(包含原子数目)具有幻数特征,包含原子数目主要为19,23,25,27,29,31,33,35,37,41,43…等。这些具有幻数特征的纳米团簇的中心原子相互连结的形状有链条状,三角形带单链,四边形带单链三种。由于二十面体具有高度的局域结构对称性,因此由其构成的IS-ICO纳米团簇具有较高的结构稳定性,导致包含大量IS-ICO纳米团簇的非晶态Cu-Zr合金具有更强的力学稳定性以及可承受更高的负荷加载。深入研究了初始熔体温度对Cu46Zr54合金快速凝固过程中的微观结构演变与非晶固体中微观结构和力学性质之间关系的影响。通过对5个起始温度的凝固过程的模拟数据分析,发现与非晶体相关的键型(1551、1541和1431),二十面体(120 12 0 0 0 0 0 0)与缺陷二十面体(12 0 8 0 0 0 2 2 0)对整个凝固中的微观结构演变起着重要作用。初始熔体温度的影响在体系温度低于玻璃转变温度Tg才明显体现。在300 K时,5个凝固过程得到的非晶固体中所含的主要非晶态键型、主要基本原子团簇、弹性常数以及在形变过程中的结构软化程度均与初始熔体温度成非线性关系,且在一定区间内涨落。但存在一个最佳的初始熔体温度2000 K,由此熔体温度急冷得到的非晶固体结构含有最高比例的非晶态键型、缺陷二十面体和二十面体,且堆积密度最高,拥有最优的强度和最小的结构软化程度。