Fe基非晶合金熔体的原子团簇结构谱与中程序演化研究

The evolution of the cluster structure and the medium-range order in liquid Fe based alloys lays the foundation to the amorphous alloy design and the optimization of the production process. This application will employ the first principles molecular dynamics simulation to investigate the structure of clusters in liquid alloys consisted from Fe, C, P, B and Si elements with different orders from binary to quinary, in order to uncover evolution law of the clusters with both composition and the alloy order, and to reveal the principle of affinity and avoidance among the metalloid element center clusters, and finally to establish the spectrum of the cluster structure. This makes it possible to calculate the mixing free energy and the energy of a cluster so that both these energy can be applied to evaluate the stability of the liquid alloy and the cluster. The glass forming ability oriented cluster evaluation system will then be built, and be applied in several liquid Fe-transition metal-B alloy systems to test its applicability and predictability. Analysis on the cluster packing modes of liquid Fe based alloys in real space will be made in order to uncover the relationship between the irreversible change of the medium-range order due to superheat of the liquid alloy and the materials quality problem induced by the temperature fluctuation in production process. Investigation will also be carried out on the medium-range order in Fe-based amorphous alloys in the external physical fields and from different production conditions. The results of this application will improve the predictability of cluster models in Fe based amorphous alloy design, and be beneficial to the improvement of the production quality.

Fe基非晶合金熔体中原子团簇结构和中程序演化规律是Fe基非晶合金材料设计与生产工艺优化的理论依据。本项目利用第一性原理分子动力学模拟等手段，主要研究Fe与C、P、B和Si组成的从二元到五元合金熔体中原子团簇结构，揭示它们随合金组元数和成分演化规律，探讨不同类金属元素原子团簇的亲和与规避原则，形成原子团簇结构谱。在此基础上计算液态合金混合焓和异类原子键能；利用混合自由能和原子团簇能量评估液态合金和原子团簇稳定性；建立面向玻璃形成能力的原子团簇综合评价体系。在几种Fe-过渡金属-B合金系中验证原子团簇综合评价体系适用性和预测性。分析Fe基非晶合金熔体中原子团簇的空间排列模式，研究合金熔体过热所导致中程序结构的不可逆变化，探索它与温度波动所导致的Fe基非晶材料性能不稳定的关系；揭示不同生产条件和外场对非晶材料的中程序结构影响。项目成果可提高理论在Fe基非晶材料设计中的预测性，提高产品质量。

铁基非晶合金是重要的软磁材料。本项目主要使用第一性原理分子动力学，着重研究几种与软磁材料有关的Fe基合金液态与非晶态结构随温度、成分和压力的演化规律，揭示液态与非晶态合金原子团簇与生产工艺条件、磁性能、动力学性能以及非晶形成能力的关系，目的是为优化生产工艺，开发新型非晶合金软磁材料提供必要结构信息，形成初步判据。.通过四个课题组的密切合作，在四年的研究过程中，总计完成了近20个二元系（约200个合金）、15个Fe基三元合金、7个Fe基四元合金的计算任务，基本上完成了项目计划书的预定目标任务，部分数据已经发表。项目已经发表学术论文41篇。.在已经发表的研究工作中，一些比较有特色的成果如下：.1、完成了Fe-Si、Fe-Al和Al-Si三个二元系液态结构和热力学，为三元Fe-Si-Al三元系合金成分设计打下基础。.2、初步观察到类金属原子在液态的相互排斥现象是普遍存在的。.3、Fe-Si-B合金生产中，Fe2B原子团簇到Fe3B原子团簇的转化温度，是优化生产工艺的关键参数。.4、提出了“最小原子团簇”结构模型，将对Fe原子磁矩与拓扑短程序和化学短程序关系的理解，向前推进了重要一步。对于发展非晶合金磁性理论是重要的。.5、发现Fe原子的平均原子磁矩随着压力的增加呈指数衰减趋势，符合下列公式：m=1.195*exp(-P/30)+0.033；直到280GPa压力下，也没有发现晶化现象。.6、Si-M基液态合金中原子团簇的网状结构，显著影响扩散系数以及非晶形成能力。为不同合金系玻璃形成能力的巨大差异提供了结构和动力学解释。.7、初步发现Fe-B-Nb非晶合金中，(Fe, Nb)23B6原子团簇网状结构提高了耐腐蚀性。.8、建立了评价合金中原子团簇稳定性的新结构参数（准最近邻原子模型），为研究非晶合金的力学性质与“结构缺陷”的关系，提供了有效工具。.9、将原子团簇理念应用到固溶度极限预测上，发现了Mg基合金固溶度极限存在周期性规律。为Fe基合金固溶体与非晶态的竞争研究，提供了新思路。