Mg60Cu30Y10合金微观结构的第一性原理研究.pdf

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1、2013年5月南京晓庄学院学报Mav2013第3期JOURNALOFNANJINGXIAOZHUANGUNIVERSnTYNo．3MCu30Y1o合金微观结构的第一性原理研究陈立安，石远美(1．南京晓庄学院物理与电子工程学院，江苏南京211171；2．南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京210097)摘要：该文利用第一性原理计算对Mg60Cu3oYo合金进行了模拟研究，分析Mg60Cu30Y，0合金的几何特征：双体关联函数、三体关联函数、空间关联系数，并利用Voronoi拼砌方法对Mg∞Cu30Y。合金的结构做了分析．计算发现Mgs

2、0Cu3oY10合金中Mg原子的环境与晶态Mg2Cu中的环境类似，而Cu-Y、Y—Y之间的关联对于合金的性能起着决定性的作用．关键词：第一性原理计算；Mg60Cu30Yl0；微观结构中图分类号：TG146．2文献标识码：A文章编号：1009—7902(2013)03—0o15一o50引言金属玻璃是一类非常重要的材料，具有高强度、高硬度、高韧断裂性、耐腐蚀、可塑性好等特点，由于不具备长程有序的特点，金属玻璃的诸多物理特征和力学特征的机制、微观结构并不清楚．镁基金属玻璃由于强度高、密度小、玻璃态转变温度低而被广泛应用在诸多领域．清楚地了解它

3、们的微观结构，对于提升合金的性能，更加广泛的应用都有非常重要的意义．近来，Mg∞cu∞Y。合金也被广泛研究¨l2J，本文利用第一性原理计算对Mg6oCu∞Y。。合金进行分子动力学模拟研究，从双体关联函数(paircorrelationfunction)、三体关联函数、空间关联系数(spatialcorelation)等方面对其几何特征做分析，利用Voronoi拼砌方法分析Mg6oCu加Y。合金的微观结构．1计算过程利用基于密度泛函理论(DF'F)的第一性原理计算程序VASP【3对Mg印Cu∞Ym合金进行计算，原子实与电子间的相互作用用投

4、影缀加平面波方法(PAW)描述，其中交换一关联能泛函采用Perdew、Wang的广义梯度近似(GGA)，平面波基的截断能量取为368eV，计算过程中所有的能量收敛均小于0．01eV／原子．模拟的过程中将100个原子按比例构成一个立方晶包，原子数密度为0．0501／h[2]，采用周期性边界条件．初始时原子随机放置，先经过3000步优化，每步时间为3fs，后将系统的温度升高到3000，经过9ps的弛豫，再将系统迅速降到300K，降温的速率为3X10MK／s，最后在300K经过18ps的结构优化，其中我们的计算数据来自最后的2000步(6ps

5、)．计算过程中的温度控制借助Nose恒温器_6技术．2计算结果2．1双体关联函数双体关联函数g(r)对于了解微观结构尤其是非晶态系统的微观结构尤为重要．本文计算了Mg—Mg、Mg—Cu、Mg—Y、cu—cu、cu—Y、Y—Y的双体关联函数，并与其他的计算方法做了比较，结果见图1．利用结构因子与双体关联函数之间的关系，将双体关联函数进行傅立叶变换得到结构因子，并与利用x射线衍收稿日期：2013—02—11作者简介：陈立安，南京晓庄学院物理与电子工程学院讲师，南京师范大学在读博士，主要研究方向为：理论物理，计算凝聚态理论，邮箱：cheefi

6、an@163．com一15—射的结果做比较j，见图2．从结果可以看出，相对于其他的双体关联函数，Mg—Mg关联体现出一定的晶体的特征，每个峰很突出，宽度较小，位置上，第一峰(对应于最近邻位原子)位于3．osA，第二峰位于5．13A，第三峰位于7．5lA；Mg—Cu关联函数形状上与Mg—Mg很相像，不过第一峰位于2．67A，相对于Mg—Mg关联小得多；除Mg—Mg、Mg—Cu外，其余的函数均表现出明显的非晶态特征：Mg—Y第一峰位于3．32A，Cu—Cu第一峰位于2．53A，Cu—Y第一峰位于2．87A，Y—Y第一峰位于3．13A．从几何

7、因子的图形上看，理论计算结果与实验结果基本一致，第一峰的位置位于2．76A(实验结果为2．73A～2．73L2)，但在形状上，主要是第二个峰的形状上计算结果与实验结果吻合的不很好，计算结果的第二个峰展宽较大，这因为我们的计算结果是直接做傅立叶变换得到而没有做拟合．图1双体关联函数。实线为本文的计算结果，虚线为luC模拟结果2．62．42．22．01816—1a121OO8O60．4O20O图2结构因子。左图为x射线衍射的结果。右图为本文计算结果一16—2．2三体关联函数(键角分布)键角在本文中是这样计算：如果两个原子之间的距离小于对应双

8、体分布函数中第一个最小值的位置(见图1)，则认为这两个原子间成键．由于在文献中只获取到以原子为顶点的键角的分布，其他类型的键角分布可以以此为参考．图3原子为顶点的键角分布。实线为本文计算结果。虚线为RMC模