非晶合金有序化结构及其与玻璃形成能力本征关系研究

Amorphous alloys possess a series of exellent physical, chemical and mechanical properties, showing strong potential properties for structural applications. However, the limited glass forming ablility (GFA) hinderes the actual commercial applications. Therefore, it is vitally important for us to study the intrinsic relationship between atomic structure and GFA for promoting the application of amorphous alloys. In this proposal, we will systematically investigate the intrinsic relationship between atomic structure and GFA by a combination of state-of-the-art experimental technique and molecular dynamics and reverse Monte Carlo simulations. The one-dimensional (1D), 2D and 3D topology structures will be used to character various scales of ordered structures to uncover the structure nature of short- and medium- range order in amorphous alloy. Furthermore, the variation of stability of under-cooled liquid during glass formation and various orderd structure with alloy composition will be disclosed. The relationship between the stability of under-cooled liquid and alloy composition is to be elucidated. Moreover, the relationship between ordered atomic structure and GFA can be explored by analyzing the effect of various orderd atomic structure on kinetic properties such as mean square displacement, atomic diffusion coefficient, viscosity and fragility. Finally, the intrinsic relationship among atomic structure, alloy composition and glass forming ability will be established. This proposal will promote comprehensive understanding of the structure characteristic for amorphous alloy at atomic level and provide scientific basis for designing new kinds of bulk amorphous alloys.

非晶合金具有一系列优异的物理、化学和力学性能，但有限的玻璃形成能力（GFA）限制了其工业应用。研究局域原子结构与GFA内在的、本质的关系，对于促进非晶合金发展与应用具有非常重要的意义。本项目采用分子动力学、逆蒙特卡洛模拟与先进实验技术相结合的方法，系统研究非晶合金有序化原子结构及其与GFA的本征关系。利用一维、二维、三维有序化结构等拓扑结构元表征非晶合金中不同维度与尺度的有序结构，揭示非晶结构的短程、中程有序本质；研究非晶形成过程中过冷液态结构的稳定性及各种有序化结构随合金成分的变化规律，探讨液态结构稳定性与成分之间的相关性；通过分析各有序化结构对均方位移、原子扩散、粘度和脆性等动力学性质的影响，探明原子结构和GFA之间的关联性，最终构建原子结构-合金成分-玻璃形成能力三者之间的本征关系。项目的开展将促进对非晶原子级别结构特性的全面认知，为新型块体非晶合金材料的设计和开发提供科学依据。

非晶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，因此研究非晶合金的原子结构及其与玻璃形成能力的关系具有非常重要的意义。本课题从非晶形成过程中过冷液态结构的遗传性、非晶合金的短/中程有序结构及动力学行为等方面揭示原子结构与玻璃形成能力的关系。研究结果表明：1）在液态和非晶态中二十面体短程序占主导地位，液态中的短程序能够很好的遗传到非晶中，真正实现液态结构的“冻结”，且这些短程序含量逐渐增加，有利于玻璃形成能力的提高；二十面体短/中程序、自由体积、一维成串原子含量均在玻璃转变温度处发生转折；2）在强玻璃形成能力体系中二十面体结构含量高且其主要结构单元与非晶晶化先析出相的对称性具有不相容性，增强了合金的玻璃形成能力。短程序通过共点、共线、共面和嵌套的方式扩展成中程序。且研究发现径向分布函数第二峰劈裂形成的第一副峰与第二副峰分别与近邻短程序的共面和共点连接方式相关。且二十面体特别是完整二十面体短/中程序的含量和尺寸随着冷却速率的增大而减小；非晶结构中存在着一维原子成串和二维原子共面的结构且二维共面呈现面心立方/密排六方密排面分布；3) Cu-Zr二元非晶合金中添加Al使三元非晶合金的能量和体积降低，结构稳定性增强，密堆度和密堆效率增加，Al添加后增加了整个体系二十面体短程序和中程序的含量进而使二十面体中程序的尺度范围增大，有利于玻璃形成能力的增强；4) 在CuZr二元和CuZrAl三元非晶合金中，以Zr为中心的多面体均方位移小、扩散速率低，稳定了液态结构，增加了合金的玻璃形成能力且随着Zr含量的增加和Al原子的添加，均方位移变得更小。这些研究结果可以有效地将非晶态合金中的局域有序原子结构与玻璃形成能力联接起来，加深了对非晶态短程/中程有序结构本质及非晶形成动力学的理解，为新型块体非晶合金材料的设计和开发提供科学依据。