若干复杂结构金属体系的多体势及非晶合金形成原子集团特征的计算与模拟

...The complicated alloy systems are constituted by e.g. low symmetry or lager cell or polymorphous metals. These metals and alloys exhibit very good performance and hence they do not play dominating roles in the fields of materials science and engineering, but also are of great significance for the computational materials and condensed physics as well. In the present work, a new form function including bond-angle energy is first proposed for some selected metals either of complicated structures or often used in amorphous alloys. Then the Orthogonal Design and Genetic Algorithm are employed to optimize and search for the potential parameters. Based on the constructed n-body potential, molecular dynamics simulation of continuously cooling, constant temperature quenching and various heat treatments of metal liquids are carried out to investigate the formation of metallic glasses. The atomistic characteristics in early stage of glass transition are explored by using the High Throughput Computing and Data Mining. This project not only helps to better understand the formation of metallic glasses, but also facilitates the development of computational materials science.

..复杂结构金属体系是指其组成金属的晶体学对称性低、或晶胞特别大，或有多个同素异形体，复杂结构金属及其合金具有一系列优异的性质或性能，在材料工程、材料科学和凝聚态物理学等领域都占有重要的地位。本项目将选择若干个复杂结构金属和非晶合金常用金属为代表，如Cu、Nb、Ni、La、Pu、U、W和Zr等，构建出合理高效的多体势，再基于构建的多体势，采用计算与模拟方法研究非晶合金的形成过程。研究内容及创新点：1) 构造形式简单、包含原子键角势能的多体势函数；2) 采用正交设计和遗传算法等手段，优化确定多体势参数；3) 连续(冷却)淬火、(低温)等温淬火和混合淬火等模拟方法研究玻璃转变过程，并采用高通量计算、数据挖掘等手段，揭示出玻璃转变早期阶段的原子运动集团特征。本项目将加深人们对原子相互作用和非晶合金形成和玻璃转变等科学问题的理解、促进计算材料学的发展与完善，因此具有重要的应用价值和理论意义。

按照《申请书》和《计划书》要求开展工作，采用归纳分析和计算模拟方法研究了若干复杂结构金属体系的多体势及非晶合金形成原子集团特征等科学问题。取得主要成果：1) 提出了可以反映角度因素的多体势函数形式，并成功地应用到铀金属及其合金等；提2)提出了了固相形核生长的内生长和外生长的概念。快速淬火时，固相的外生长远远大于内生长速度而导致非晶形成；3) 理论计算表明, 纳米尺度的晶相比非晶相颗粒具有更强的尺寸效应，当尺度低于某一临界值时，纳米非晶相比晶相更容易形成。4)结构分析表明金属玻璃的原子构型存在着多层次结构：由中心原子及近邻原子构成的原子团簇，由各种原子团簇复杂交联形成的团簇群，团簇群展布穿插形成结构骨架、进而形成复杂的空间分形网络(长程分形序)。5) 和其它课题联合共同培养毕业4名博士和1名硕士研究生，发表20篇SCI论文，参加会议交流8人次。