二元液态金属ag_xcu_1_x快速凝固过程的分子动力学模拟研究

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1、第34卷第3期稀有金属材料与工程Vol.34,No.32005年3月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGMarch2005二元液态金属AgxCu1-x快速凝固过程的分子动力学模拟研究郑采星，刘让苏，田泽安，周群益，彭平(湖南大学应用物理系，湖南长沙410082)12摘要:用quantumSutton-Chen多体势对AgxCu1-x在冷却速率为2×10K/s凝固过程的模拟，发现AgxCu1-x在x=35~65范围内具有形成非晶的能力，特别是对应于二元相图共晶点的Ag60Cu40在凝固过程中二十面体和其它多面体结构不仅数目大，而且还具有极为

2、稳定的遗传性，而最容易得到非晶态合金。证实了合金化效应对非晶态合金的形成倾向和稳定性的关键作用。此外采用键对及原子多面体类型指数法对凝固过程中微观结构组态变化的分析，不但能说明二十面体结构在非晶态合金形成和稳定性中所起的关键作用，又有助于对液态金属的凝固过程、非晶态微观结构特征的深入理解。关键词:非晶态合金；快速凝固；微观结构；计算机模拟中图法分类号：O522.2文献标识码：A文章编号：1002-185X(2005)03-0350-05多已从实验得到的金属—金属非晶态合金的形成。目1引言前，实验发现某些非晶态微观结构存在短程有序的五众所周知，金属材料的宏观性能，主要

3、是由其凝重对称性，国际上正在对非晶态的二十面体结构模型[4~6]固过程中所形成的微观结构组态决定的。因而对液态进行研究。金属的凝固过程进行跟踪研究，以弄清其微观结构组本研究在对纯金属Al快速冷却模拟研究的基础[7,8][9]态、特别是原子团簇结构的形成与转变特性，对于深上，采用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法[10]入理解其微观结构与宏观性能的关系，将具有重要的和原子多面体类型指数法，对AgCu合金快速冷却理论和实践意义。过程进行了模拟研究，从非晶态团簇结构的形成与转Duwez实验发现AgCu共晶合金经快速冷却可以变的微观角度对二元非晶态合金形

4、成的尺寸效应、合[1]得到非晶态结构，S.Takayama对AgxCu1-x合金形成金化效应进行了更深入的讨论，并且用与Bernal多面[2]非晶态的实验研究中，进一步确定了形成非晶态的成体完全不同的以二十面体结构为主的非晶态微观结构分范围为x=35∼65，并且提出非晶态形成的合金化效模型对模拟过程对比实验结果给出了合理的解释。应。YueQi等人对CuNi、AgCu合金快速冷却的模[3]2模拟条件与方法拟研究中，对比径向分布函数和原子体积随温度的变1214化曲线而得出在冷却速率为2×10K/s到2×10K/s范模拟计算的条件为：将500个原子置于一立方体围内，CuN

5、i总是形成fcc晶体结构，而Ag6Cu4总是盒中，按周期性边界条件运行，系统的总能量按照[11]形成非晶态结构，因为Cu和Ag比Cu和Ni具有较quantumSutton-Chen多体势有：大的原子尺寸差别，而得出原子的尺寸差别是非晶态⎡11/2⎤（1a）Utot=∑Ui=∑∑⎢DijV(rij)−ciDiiρi⎥合金形成的一个主要影响因素。但没有解释原子的尺iii⎣2j≠⎦寸差别在微观结构组态对非晶转变的影响，特别是单式中rij是两原子i与j之间的距离，V(rij)是原子i与j纯的尺寸差别不能解释合金化效应对非晶态合金的形之间双体排斥势n成倾向和稳定性的关键作用。

6、⎛α⎞ijV(r)=⎜⎟ij⎜r⎟（1b）另外，具有广泛影响的Bernal多面体非晶态微观⎝ij⎠结构模型不能解释纯金属元素非晶态，也不能说明许ρi是与i原子相关的局域能量密度，表示为：收稿日期：2003-12-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（批准号：50271026）作者简介：郑采星，男，1956年生，博士，副教授,湖南大学应用物理系，湖南长沙410082，电话：0731-8672196，E-mail：zcx811@163.net3期郑采星等:二元液态金属AgxCu1-x快速凝固过程的分子动力学模拟研究·351·m根据形成非晶态的尺寸效应和合金化效应，Ag

7、60Cu40⎛α⎞⎜ij⎟（1c）ρi=∑φ(rij)=∑⎜⎟快速凝固易得到非晶态。j≠ij≠i⎝rij⎠12图2给出Ag60Cu40从1800K按照2×10k/s的速表1给出模拟研究所用的参数。率冷却至300K时，不同类型成键数与温度的关系（所列数据不包括1%以下其他键型）。表1QuantumSutton-Chen势模拟参数根据这些数据，可以看到：与棱面体结构相关的Table1ParametersforthequantumSutton-Chen(Q-SC)1331，1321和与bcc晶体中大量存在的1661，1441forcefield键型成键数均呈减少趋势；