LaNiAl非晶合金中β弛豫与微观机理的理论计算研究

β-relaxation is an important relaxation behavior in amorphous alloys and it is closely related with diffusion, glass transition and plastic deformation. However, the mechanisms of β-relaxation in atomic scale is still unknown. In this proposal, we will investigate LaNiAl amorphous alloys which show pronounced β-relaxation. To explore the mechanisms of β-relaxation, the embedded-atom-method (EAM) potential of LaNiAl amorphous alloys will be developed. By the combination of EAM potential and metadynamics, we will study the mechanism of β-relaxation in LaNiAl amorphous alloys. The proposal will calculate storage modulus and loss modulus of the amorphous alloys at different temperature by cyclically changing the cell parameter in one direction, respectively. Then, the correlation in the motion of atoms and the structure orders will be analyzed for revealing the cooperation motion of atoms and the structure evolutions during the relaxation. Furthermore, the energy barriers and local vibrational states will be calculated in order to investigate the dynamic behavior and the correlation between local vibrational states and β-relaxation in amorphous alloys. Our study will uncover the mechanisms of β-relaxation in atomic scale which is important to explain the phenomenon of β-relaxation and vital to design new amorphous alloys.

β弛豫是非晶合金中一种重要的弛豫行为，它与原子扩散、玻璃化转变、塑性变形等都有着重要联系。但是，β弛豫的微观结构起源尚未揭示。本项目以具有明显β弛豫行为的LaNiAl非晶体系作为研究对象，构造LaNiAl体系的镶嵌原子势，并结合超动力学方法，研究LaNiAl非晶体系β弛豫行为的微观机理。将计算不同温度下，周期性施加应变时，非晶体系内部的存储模量、耗散模量，模拟β弛豫过程。并通过分析弛豫过程中运动关联函数和结构有序性的变化，研究弛豫过程中原子的协同运动和微观结构演变。同时我们将进一步计算非晶体系中的能量势垒和局域振动模，研究非晶体系的动力学行为，并探讨局域振动模与β弛豫的关联。该研究将揭示微观尺度上β弛豫的机制和结构起源，不仅有助于理解LaNiAl体系弛豫行为，而且对于设计力学性能更好的非晶合金具有重要的意义。

本项目按照计划书圆满地完成了预定的研究内容。实验表明La基非晶具有明显β弛豫行为，我们将LaNiAl非晶体系作为研究对象，成功开发出高质量的镶嵌原子势。该势模型能够很好的描述La、Ni和Al单质以及他们所形成合金的状态方程、缺陷形成能、振动性质等；同时通过使用该势模型研究合金熔体的结构和动力学行为，与第一性原理计算结果符合较好。除此之外，我们开展了CuZr非晶体系β弛豫行为的理论研究。我们以CuZr薄膜作为研究对象，发现非晶合金中原子的弛豫行为与低频振动强度有关，低频振动强度越大，原子越容易发生结构弛豫。进一步通过过渡态理论分析弛豫的能垒，发现涉及低频振动较强的原子，原子发生结构弛豫的能垒较低，从而更容易迁移。与此同时，我们还研究了三个具有不同β弛豫行为的体系，计算结果表明，低频振动态密度越强，β弛豫越明显。很多研究表明，非晶的低温比热相对于得拜模型有明显的增强，这就是非晶合金中的波色峰。非晶的波色峰的强度是结构不稳定性的一个标志。通过周期性振荡研究非晶合金的低温比热，我们还发现，当频率为（0.1GHz）的时候，非晶的波色峰会明显增强，也就是说非晶内部存在一个特殊的频率，当以该频率进行激发时，可能会使得非晶进入一个高能量状态。通过本项目的开展，获得了高质量的LaNiAl体系镶嵌原子势模型，同时，从振动的角度，为β弛豫提供了一个新的研究思路，对于揭示β弛豫结构起源提供了更多的参考，同时本研究也将有利于探索波色峰的结构起源。