Cu80Zr20金属玻璃结构不均匀性的研究*

2021-05-19 06:36兰迎坤

哈尔滨师范大学自然科学学报 2021年1期

兰迎坤

(哈尔滨师范大学)

0 引言

近年来开发出的非晶态合金(金属玻璃)材料在实际生活中逐步走向实用化.由于金属玻璃在强度、硬度、韧性、超塑性成型、软磁、耐磨、耐腐蚀、抗辐照等方面具有显著优于常规金属材料的特质，在高技术、国防、信息和能源领域等方面广泛应用[1-3].金属玻璃的结构与液态金属结构相似，主要特点是原子在三维空间上没有长程的对称性和周期性，而是具有二十面体等短程有序[4].

虽然金属玻璃原子排列是混乱的，但其微观结构并不是完全均匀的，而是存在着局域结构不均匀性.这些局域结构不均匀性在非晶合金形变过程中起着关键作用[5-7].对于这种不均匀结构的本质，许多研究者发现它们是以二十面体为骨架的.该文将从能量角度研究Cu80Zr20在快速冷却过程中的不均匀结构，目的是解释不均匀结构与原子能量之间的关系.

1 模拟方法

利用分子动力学Lammps模拟软件采用镶嵌原子势法(EAM)对32,000个原子组成的体系进行研究.在NPT系综下采用三维周期性边界条件，时间步长设定为2fs，设定体系压力为零.在100 K驰豫平衡后将合金升温至1600 K，然后保温20 ps以得到平衡的液态体系，再以7.5×1011K /s的冷却速率将液态淬火至100 K得到玻璃态结构.在快速冷却过程中，每1万步记录一次构型，通过原子的位置及能量信息分析体系结构的演化.

2 结果分析与讨论

首先研究了过冷过程中金属玻璃的短程结构序的演化.短程局域结构序的研究通常采用Voronoi指数法[8]，Voronoi指数是表示不同的原子位置系统将其分解成以各种原子为中心的有限数目的多面体.每一个多面体表征为的Voronoi指数形式，nk表示给定Voronoi中k边面的多面体数量(k的范围从3～10).不同组合的Voronoi指数对应不同的局部对称性，定义类二十面体的指数是<0，0，12，0>，<0，1，10，1>、<0，1，10，2>、<0，2，8，1>、<0，2，8，2>、<0，2，8，3>、<0，2，8，4>.对Cu80Zr20合金在快速降温过程中类二十面体数量进行了统计分析，如图1所示.从图1中可以发现二十面体团簇主要以Cu为中心.温度从1600～1200 K的降温过程中，以Cu为中心的二十面体数量缓慢增加，当温度低于1200 K时，二十面体数量快速增加；当温度降低到700 K，二十面体数量变化再次呈缓慢上升趋势；直到冷却到最低温度，二十面体数量达到最大值.相对而言，以Zr为中心的二十面体数量变化甚小，并且呈降低趋势.这充分表明在Cu80Zr20金属玻璃中二十面体团簇主要以Cu为中心.

图2展示了在100 K时体系中不同条件下原子分布的快照.图2(a)中红色球代表体系中构成类二十面体的原子.根据图中原子分布情况，可以看出构成类二十面体的原子在体系中的分布是不均匀的，且彼此连接形成网状结构，结果表明在Cu80Zr20金属玻璃中存在着以二十面体结构为骨架的不均匀结构，即结构不均匀性.

图1 二十面体团簇中心原子数量变化

图2 100 K时Cu80Zr20金属玻璃中不同条件下原子分布图. (a) 类二十面体原子在体系中的分布；(b) 能量较低20%原子在体系中的分布； (c)既是类二十面体原子又是能量较低原子在体系中的分布.(蓝色球代表Cu，粉色球代表Zr，红色球是满足条件的原子.)

金属玻璃的结构主要以具有五重对称性的二十面体为主.五重对称结构具有原子排列紧密、稳定且能量较低的特点.现在从能量的角度对Cu80Zr20金属玻璃不均匀结构进行研究.在100K时挑出体系中能量最低的20%原子，它们在体系中的分布见图2(b)所示.从图2(b)可以看出体系中存在能量最低原子连接形成的不均匀结构，这说明Cu80Zr20金属玻璃中也存在着以势能较低原子的为骨架的不均匀结构，即能量不均匀性.在图2(c)中，挑出了体系中既是类二十面体原子又是势能最低的原子.从分布图中可以明显看出同时满足这两种条件的原子很少，表明结构不均匀性和能量不均匀性不一致.

为了进一步研究结构不均匀性和能量不均匀性的关系，计算了在能量最低结构中二十面体的占比，图3即是在降温过程中这种比例的变化曲线.从图3中可以发现当温度在1200 K以上，二十面体占比在10%以下；当温度低于1200 K时，二十面体占比快速增加.当温度降到100 K时，二十面体在能量最低结构中的比值也仅有35.6%.上述变化表明以二十面体为骨架的结构和以能量为骨架的结构不重合.综上，虽然金属玻璃中二十面体的五重对称性高且能量低，但在金属玻璃中能量较低的结构，其五重对称性不一定高.进一步说明了在Cu80Zr20金属玻璃中结构不均匀性和能量不均匀性不一致，二者不是同一种不均匀性.

图3 二十面体在能量最低结构中的比例随温度的变化

3 结论

该文采用经典分子动力学模拟方法研究了Cu80Zr20金属玻璃结构不均匀性与能量不均匀性之间的关系.分析了在100 K时体系中不同条件下原子的分布情况.计算了不同温度下二十面体在能量最低结构中的占比，其在1200 K以上低于10%，在100 K时为35.6%.结果表明，虽然金属玻璃中二十面体的五重对称性高且能量低，但在金属玻璃中能量较低的结构，其五重对称性不一定高.进一步说明在Cu80Zr20金属玻璃中同时存在着结构不均匀性和能量不均匀性，且二者不一致，不是同一种不均匀性.