伏春平

(重慶文理學(xué)院物理系， 重慶　永川　402160)

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Al3X(X=Co, Ti)液態(tài)合金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的分子動力學(xué)模擬

伏春平

(重慶文理學(xué)院物理系， 重慶永川402160)

[摘要]文章研究了Al3X(X=Co, Ti)合金的微觀結(jié)構(gòu). 通過對分布函數(shù)、鍵對等分析得出：隨著溫度的快速降低，Al3X(X=Co, Ti)合金體系的對分布函數(shù)的第二峰在900 K發(fā)生輕微的劈裂,則確定出體系的玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度為900 K；溫度從900~300 K降溫過程中，Al3X (X=Co, Ti)合金體系對分布函數(shù)g(r)第一峰的峰高隨著溫度的降低而增高，變得尖銳；第二峰出現(xiàn)明顯的劈裂，溫度降至300 K，Al3Ti合金中1551鍵對的含量達(dá)到23.8﹪，說明其狀態(tài)為非晶結(jié)構(gòu)；而Al3Co合金體系中表征二十面體的1551鍵對的含量為27.5﹪;說明Al3Co合金體系較Al3Ti合金形成非晶的能力強.

[關(guān)鍵詞]分子動力學(xué);非晶合金; Al3Ti; Al3Co

非晶態(tài)合金,又被稱為金屬玻璃.固態(tài)時原子的排列呈無序狀態(tài)，但在一定溫度范圍內(nèi)這種狀態(tài)保持相對穩(wěn)定，即具有長程無序、短程有序的特征.與傳統(tǒng)的合金材料比較，非晶合金具備高硬度、高強度、高彈性、耐腐蝕和耐磨等優(yōu)異的性能，其優(yōu)異的力學(xué)特性、化學(xué)特性、電化學(xué)特性、催化活性和電磁學(xué)特性在國防事業(yè)和工業(yè)上具有潛在的應(yīng)用價值，因而引起人們極大的興趣[1-8].20世紀(jì)60年代，美國加州理工學(xué)院Duwez研究小組用快速淬火技術(shù)制得Au75Si25金屬熔體，這就是世界上首次報道的非晶態(tài)合金;1969年，Pond等人制備了長達(dá)幾十米的非晶薄帶，80年代日本東北大學(xué)的A.Inoue等成功發(fā)現(xiàn)了多組元塊體非晶合金[2-4].近年來，研究者已經(jīng)能夠在實驗室制備出大塊體的 Al 基非晶合金系，如Al -Cu、Al -Zr、Al-Ni-Zr、Al-Cu-Ni-Zr-Be非晶合金系等，其Al基非晶合金材料在應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能，同時Al基塊體非晶合金有較低的成本，在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用. Co 基非晶合金具有矯頑力低、磁導(dǎo)率高，以及優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和時效穩(wěn)定性、零磁致伸縮系數(shù)等特點[9-12]；而Ti基合金具有高溫抗蠕變、抗腐蝕性能以及輕質(zhì)等特性,在航空航天等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.本文就Al3X(X=Co, Ti)合金玻璃形成能力進(jìn)行分子動力學(xué)的模擬研究.

1模擬研究的條件和方法

采用經(jīng)典的分子動力學(xué)方法，使用開源的大規(guī)模原子/分子并行程序(LAMMPS)[3-10]. 由于原子間的多體作用效應(yīng)，在計算中采用鑲嵌原子勢(EAM)[11,12]，邊界條件采用立方周期性邊界條件，模擬過程中采用等溫等壓(NPT)系綜，數(shù)值積分采用速度形式的Verlet算法，時間步長設(shè)定為2.0 fs. 模擬計算在含有0.4萬個原子的立方元胞中進(jìn)行，其中Al和X的原子數(shù)比為3∶1；隨機地把0.4萬個原子在面心立方點陣上進(jìn)行分布；接著讓系綜在2 000 K等溫弛豫運行5萬步以達(dá)到液態(tài)的平衡，然后快速冷卻到300 K[5].在此基礎(chǔ)上再運行1萬步，獲得系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)，從而運用微觀結(jié)構(gòu)分析程序分析Al3X(X=Co, Ti)合金玻璃形成能力.

2Al3X(X=Co, Ti)合金模擬結(jié)果與分析

眾所周知，液態(tài)體系中原子在其內(nèi)部做無規(guī)則運動，此時原子不能用固定的坐標(biāo)來描述，而非晶合金態(tài)中的原子與其有相似的分布，二者之間的徑向分布函數(shù)的曲線也很接近；但非晶合金態(tài)中的原子可以用固定的位置坐標(biāo)來描述，原子在坐標(biāo)周圍不停地振動，在非晶合金態(tài)中徑向分布函數(shù)g(r)第一峰較窄較尖銳，第二峰會劈裂成兩個峰，其中劈裂的第一峰略高于第二峰，形成駝峰狀.所以，經(jīng)向分布函數(shù)g(r)的第二峰劈裂是判斷體系是否為非晶合金的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.

圖1中展示了Al3X(X=Co, Ti)非晶合金在快速冷卻的過程中所呈現(xiàn)的徑向分布函數(shù)圖.從圖1(a)中知，Al3Ti隨著溫度從1 800 K快速冷卻至300 K的過程中溫度在T=1 800 K，T=1 500 K，T=1 200 K，T=900 K，T=600 K，T=300 K時的徑向分布函數(shù)，隨著溫度的快速降低，第一峰值快速升高，峰端越來越尖銳，峰寬也慢慢變窄，呈尖窄狀態(tài)，表明Al3Ti體系中心原子的配位數(shù)增多，短程有序性加強.當(dāng)溫度T=900 K，第二峰端出現(xiàn)微弱的劈裂.在T=600 K時，第二峰劈裂，形成非晶.圖1(b)中展示了Al3Co非晶合金從1 800 K至300 K過程中T=1 800 K，T=1 500 K，T=1 200 K，T=900 K，T=600 K，T=300 K時的徑向分布函數(shù)，對于徑向分布函數(shù)的第二峰，隨著溫度的快速降低，其峰值越來越突出.在1 800 K~1 200 K這個降溫過程中，第二峰越來越尖銳，Al3Co體系的結(jié)構(gòu)未改變.但T=900 K時，第二峰開始劈裂，表明體系的結(jié)構(gòu)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變.溫度T=600 K時，第二峰劈裂得更明顯.因此，Al3X(X=Co, Ti) 非晶合金在1 800 K~1 200 K的降溫過程中，未發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，而當(dāng)T=900 K時，向玻璃化轉(zhuǎn)變.

圖1　Al3X(X=Co, Ti)合金在1 800~300 K溫度范圍內(nèi)每隔300 K的對分布函數(shù)

為了深入研究Al3X(X=Co, Ti)合金在冷卻過程中結(jié)構(gòu)的變化，采用對分析技術(shù)來研究液態(tài)、非晶態(tài)的結(jié)構(gòu).所謂對分析技術(shù)是指用任意成鍵關(guān)系和周圍公有原子間的成鍵關(guān)系來標(biāo)示這對原子結(jié)構(gòu)特征.在實際的研究當(dāng)中，一般用4個整數(shù)的原子鍵對來表示局域原子結(jié)構(gòu).例如用ijkl4個整數(shù)來表示，第一個i=1時，表示成鍵；第二個整數(shù)j表示原子對周圍原子成鍵的數(shù)目；k則表示兩個原子公有成鍵原子間的成鍵數(shù)目；最后l則是用來唯一確定某一類鍵對是任意給出的.常見的幾種存在于非晶態(tài)、典型液態(tài)以及晶態(tài)中的鍵對，如在非晶態(tài)存在1551、1541、1431鍵對，其中1551表示局域二十面體；而1541、1431則表征無序或缺陷局域結(jié)構(gòu)，因此可以通過鍵對的含量來表征其非晶態(tài).

圖2給出了Al3X(X=Co, Ti)合金的HA指數(shù)隨溫度變化的幾率分布.從圖2(a)中得到，對于Al3Ti合金體系，當(dāng)溫度從1 800 K快速降溫至300 K的過程中，Al3Ti合金液態(tài)體系內(nèi)的1551鍵和1541鍵的含量增加；在T=1 800 K時，表征二十面體的1551鍵對的含量為14.4﹪，當(dāng)溫度降至300 K時其含量達(dá)到23.8﹪，增多了9.6﹪.表征缺陷二十面體的1541鍵對在T=1 800 K時,其含量為17.8﹪;但當(dāng)溫度降至300 K時其含量達(dá)到23.5﹪.這說明Al3Ti合金在T=300 K時其狀態(tài)為非晶結(jié)構(gòu).然而，在冷卻的過程中1431鍵的含量基本保持在20﹪左右.從圖2(b)中得到，溫度T=1 800 K時，Al3Co合金體系中表征二十面體的1551鍵對和缺陷二十面體的1541鍵對以及1431鍵對的含量分別為7.5﹪、9.4﹪、12.5﹪；但隨著溫度從1 800 K降到1 200 K，Al3Co合金體系內(nèi)的1551鍵對、1541鍵對、1431鍵對隨T的降低而增加；溫度從1 200 K降到900 K的過程中，Al3Co合金體系的1541鍵對、1431鍵對含量增量不多，而表征二十面體的1551鍵對的增勢迅猛，在900 K時其含量增至16﹪；當(dāng)從900 K降至300 K時，Al3Co合金體系中表征二十面體的1551鍵對的含量增至27.5﹪， 1541鍵對和1431鍵對的總和為35﹪.1551鍵對、1541鍵對、1431鍵對隨著溫度的快速降低而增加可以說明Al3Co合金體系能夠形成很好的玻璃態(tài).對比Al3Ti合金和Al3Co合金發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降至300 K時，Al3Ti合金體系中的1551鍵對的含量為23.8﹪，Al3Co合金體系中的1551鍵對的含量為27.5﹪，說明Al3Co合金體系較Al3Ti合金形成非晶的能力強.

圖2　Al3X(X=Co, Ti)合金的HA指數(shù)隨溫度變化的幾率分布

3結(jié)論

本文采用分子動力學(xué)模擬方法，利用開源的大規(guī)模原子/分子并行程序(LAMMPS)研究了Al3X(X=Co, Ti)合金的微觀結(jié)構(gòu)隨溫度的變化關(guān)系，分析了體系的雙體分布函數(shù)g(r)和鍵對指數(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)對于液態(tài)Al3X(X=Co, Ti)合金體系, 當(dāng)溫度降到900 K時，Al3Co合金體系和Al3Ti合金都開始向非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，表明Al3X(X=Co, Ti)合金體系的非晶化轉(zhuǎn)變溫度T=900 K.

(2)當(dāng)溫度降至300 K時，Al3Ti合金中1551鍵對的含量達(dá)到23.8﹪，說明其狀態(tài)為非晶結(jié)構(gòu)；而Al3Co合金體系中表征二十面體的1551鍵對的含量為27.5﹪，說明Al3Co合金體系較Al3Ti合金形成非晶的能力強.

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(責(zé)任編輯吳強)

Molecular dynamics simulation of glass forming ability of

Al3X(X=Co, Ti) amorphous alloys

FU Chunping

(Dept. of Physics,Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：Basing on molecular dynamics simulation, we have studied the structure transformation of Al3X (X=Co, Ti) alloy. This work gives the microstructures properties, pair-correlation function, Honey-Andersen (HA) indices analysis shows that Al3X (X=Co, Ti) alloy systems began to transform into a glass state with the temperature rapid decrease to 900 K .The process temperature is decreased from 900 K to 300 K, the radial distribution function g(r) the first peak height with increased, width as decreasing temperature, and the Al3X (X=Co, Ti) alloy system are amorphous alloy when second peak appeared obvious splitting. The temperature drops to 300 K, the 1551 bond pairs increase to 23.8﹪ with decreasing temperature in the Al3Ti alloy system, and the 1551 bond pairs of Al3Co alloy system increase to 27.5﹪; so that the latter is easier to transformed into the glass state.

Key words：molecular dynamics; amorphous alloy pressure; Al3Ti; Al3Co

[中圖分類號]TG139.8

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2015)05-0009-04

[作者簡介]伏春平(1986—)，男，藏族，四川平武人，碩士，助教，主要從事材料物理方面的研究.

[基金項目]重慶文理學(xué)院校級科研項目(Z2013KJ17)；永川區(qū)自然科學(xué)基金(Ycstc,2014nc4002).

[收稿日期]2015-04-15