非晶态Cu-Ni合金的分子动力学模拟

易 勇,丁志杰,蒋代忠,李 恺

非晶态Cu-Ni合金的分子动力学模拟

易 勇1,2,丁志杰1,蒋代忠1,李 恺1,2

(1.西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳621010;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)

采用Quantum Sutton-Chen势对Cu-Ni合金在不同配料成分,不同冷却速率和不同系统压力下的微结构相变进行了分子动力学模拟研究.研究结果显示:Cu-Ni之间共价作用强烈,配位数一定时,冷却速率对非晶形成影响不大;5×102K/ps的冷却速率下,合金中Ni含量低于50%时,压力范围在(0～6 GPa)和(10～11 GPa)时形成非晶,Ni含量高于66.66%时压力范围在(7～11 GPa)时形成非晶,Ni含量在50%-66.66%时,压力除了在9 GPa附近时均可形成非晶,为过渡情形.

Cu-Ni合金;分子动力学;结构特性;高压

分子动力学MD(Molecular dynamics)对非晶态材料的研究,尤其对于非晶态材料的冷凝过程[1-2]、不同冷却速率下材料的结构特性[3]、材料的非晶形成能力[4]有重要指导作用.最近对于高压下[4-6]材料的结构特性研究较多.QSC(Quantum Sutton-Chen)[7]势是EAM的一种形式[5],能较好地描述过渡金属的各种性质.S. Kazanc等[6]主要通过QSC势研究了在不同压力下Cu的转变温度和Wendt-Abraham因数等,发现增加体系压力会增加材料的非晶转变温度,另外在低的冷却速率下加压体系有晶化的倾向.L.Qi等[5]采用QSC势对高压(0～12 GPa)下Cu-Ag的冷却过程进行了分子动力学研究,研究发现增加体系压力可以改善材料的非晶形成能力,并得到体系的自由体积消失和理想二十面体数目增加.郑采星等[8]采用QSC势研究了Cu-Ni

快速冷却条件下结构变化,发现在2K/ps～2×102K/ps冷却速率下体系形成fcc晶体.为了Cu-Ni合金的急冷过程,模拟主要采用QSC势研究Cu-Ni合金在较高冷却速率下、压力变化条件下的结构特性转变.

1 QSC势及模拟过程

式(1)中,第一项为原子i和j之间的双体排斥势,第二项是与原子i有关的局域能量密度.rij为原子i与原子j之间的距离,aij为缩放所有间距的长度参数,ci为缩放引力项的无量纲参数,Dij用来设置整体能量范围.表1给出了QSC势的模拟参数.

1.1 QSC势

模拟采用QSC势的分子动力学计算形式,系统的总能量[7]可表示为:

表1 QSC势模拟参数Table 1 QSC potential parameters

1.2 模拟过程

本实验所采用NPT系综的扩展系统法,恒温采用Andersen算法,恒压采用Parrinello-Rahman方法.模拟时分子初始位置分布用面心立方元胞分布,分子起始速度按Maxwell分布取样[9].

将1 000个Cu、Ni原子按一定配比置于立方体格子中,用QSC势和周期性边界条件,通过数值求解系统的运动方程组,得到各瞬时粒子的坐标和速度,进而得到每个原子的加速度,即可求得在任意小的时间间隔后原子的位移和速度,所采用时间步长小于原子振动周期,为0.1 fs.在不同的压力环境下,使不同成分的合金体系在1 800 K等温条件下运行10 000个步长使系综达到平衡态,以不同的冷却速率将体系冷却至300 K,最后在300 K弛豫1 ps,每10步记录一次数据.通过模拟结果中的双体分布函数(Pair correlation function) g(r)曲线,体系体积,体系能量的变化和外加压力的变化来分析Cu-Ni合金在不同冷却速度下的结构演变.

图1 不同冷却速率下Cu-Ni合金在的双体分布函数g(r)Fig.1 Under different cooling rates,theg(r)value of Cu-Ni alloys(300 K)

2 结果与讨论

2.1 不同冷却速率下Cu-Ni合金的结构特性

图1为固态Cu-Ni的g(r)与冷却速率下的变化关系,可以发现对于不同的冷却速率,Cu-Ni合金的g (r)第二峰都发生了劈裂,尤其在低冷却速率下更明显,说明在峰的配位数变化很小的情形下,猝冷得到的非晶态合金基本保持液态结构.各第一峰位置均在0.23 nm左右,而Ni原子和Cu原子的共价半径之和为0.232 nm(Cu为0.115 nm,Ni为0.117 nm),说明Cu和Ni原子间存在强烈的共价作用.在相关函数第一峰和第一近邻峰之间最低处产生了一个小平台,这跟体系中晶胚的产生有关.平台突起后,迅速出现表征非晶特征的第一近邻峰,表明晶核形成并迅速长大.各g(r)峰值变化差异不明显,说明当冷却速率达到一定程度以后,其结构受冷却速率的影响不大.

图2为温度与体积的关系曲线.可以看出对于特定的冷却速率(从4.0×102K/ps到1.5×103K/ps)下合金体系的非晶转变温度Tc[10].从图中发现随着冷却速率的增大,对应的非晶转变温度也有明显的升高,对于高的冷却速率,则要在短的时间内对原子进行弛豫,需要的温度会高些.

图2 不同冷却速率下Cu-Ni合金的温度与体积变化关系Fig 2 The volume versus temperature of Cu-Ni alloys

图3 不同冷却速率下Cu-Ni合金的能量与温度变化关系Fig 3 The energy versus temperature of Cu-Ni alloys

图3 为体系能量随温度的变化关系.随着温度的降低,除了能量曲线在很小的范围内波动以外,对于三种不同的冷却速率下曲线均随着温度的降低而减小,说明体系的非晶状态形成.对于冷却速率确定的情形下,E-T曲线变化越缓慢,其对应体系能量变化越较为连续,非晶的形成越容易.由图3发现1.0×103K/ps的冷却速率对于形成非晶倾向稍微容易些.

2.2 不同压力下Cu-Ni合金的结构特性

图4为300 K时不同组成固态Cu-Ni(Cu5Ni、Cu2Ni、CuNi2、CuNi5)在冷却速率为5.0×102K/ps,压力在0,2,5,6,7,8,9,10,11 GPa时的RDF曲线.

非晶转变温度Tg在一定程度上对压力变量也是非常敏感,J.Z.Jiang等[11]在采用原位高温高压X射线粉末衍射法研究Zr基非晶的Tg与压力的关系时,结果发现Tg与压力的关系为4.4 K/GPa.P.Wen等[12]采用DSC研究Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶发现Tg与压力的关系为5.6K/GPa.由图4可以看出,压力对Cu-Ni体系微结构的影响亦很明显,对于Cu5Ni和Cu2Ni(图4a,图4b),压力范围在(0～6 GPa)和(10～11 GPa)之间时以形成非晶为主,但对非晶的形成能力的作用不明显.而在(7～9 GPa)的压力范围时,在该冷却速率下,体系体积出现明显的收缩现象(一般为低温情形),表明体系此时结晶成晶体.对于CuNi2(图4c)的情形在压力为9 GPa时有结晶出现,其他压力作用范围均为非晶结构,且压力对非晶形成能力作用微弱.对于CuNi5(图4d),压力范围在(0～6 GPa)下,体系体积收缩明显,结晶为晶体;压力范围在(7～11 GPa)下,体系形成非晶且压力对非晶形成能力作用不大.从而认为CuNi2可能为压力对不同成分CuNi形成非晶作用的过渡成分形态.由以上讨论发现Cu、Ni比例和压力对CuNi非晶的形成有重要作用.

另外,在四种成分下,Cu-Ni体系的双体分布函数第一峰位置变化均微,表明在本研究的压力范围内对原子的最近邻距离作用均很小.

图4 不同比例成分下Cu-Ni合金g(r)图,(a)Cu5Ni;(b)Cu2Ni;(c)CuNi2;(d)CuNi5Fig 4 Theg(r)value of CuNi alloys,under different composition,

3 结论

本文以MD模拟方法,采用QSC势研究了Cu-Ni合金的结构特性.分别以不同的冷却速率、材料成分、高压环境等为参数条件,利用快速凝固的方式,模拟块状合金的相变与微结构变化,模拟结果显示:

(1)不同冷却速率下,g(r)曲线第一峰位置均在0.23 nm左右,CuNi之间共价作用强烈(图1),由于g(r)第一峰值大致相同说明冷却速率对非晶的形成影响不大(图1);在较高冷却速率的情形下,体系降温时间短,使得合金体系Tc会偏高(图2).

(2)在5.0×102K/ps的冷却速率下,合金成分和压力均对合金的微结构有明显影响.大致表现为要形成非晶,Ni含量低时要求压力为低压,Ni含量高时要求压力为高压.具体而言,要形成非晶,Ni成分在低于50%时,压力范围在(0～6 GPa)与(10～11 GPa);Ni成分高于66.66%,压力范围为(7～11 GPa);Ni成分在50%～66.66%时为过渡情形,压力范围为(0～8 GPa)与(10～11 GPa).

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M olecular Dynam ics Si mulation on Ni-Co Alloy in Amorphous Phase

YI Yong1,2,D I NG Zhi-jie1,J I ANGDai-zhong1,L I Kai1,2
(1.School of M aterials Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology, M ianyang621010,China;2.Research Center of Laser Fusion of CAEP,M ianyang621900,China)

Quantum Sutton-Chen potential is used to study phase transition of Cu-Ni alloymicrostructure in different ingredients,cooling rate and system pressures via molecular dynamics simulation.The results show that the Cu-Ni covalent effect is strong,the cooling rate affect little the formation of amorphous as coordination number is constant; to form amorphous at 5×102K/ps,the pressure range needs in(0～6 GPa)and(10～11 GPa)whenNi content is lower than 50%,or the pressure range needs in(7～11 GPa)when Ni content ismore than 66.66%,or the pressure range needs in(1～8 GPa)and(10～11 GPa)when Ni content is 50%～66.66%(it is a transition situation).

Cu-Ni alloy;molecular dynamics simulation;structural characteristics;high pressure

TB332;O522

A

0253-2395(2010)04-0538-04

2010-03-09;

2010-06-09

国家自然科学基金-中国工程物理研究院联合基金(10476024)

易 勇(1977-),男,博士生,讲师,主要从事材料设计与计算.E-mail:yiyong@s wust.edu.cn