CuZr非晶中热膨胀系数与非晶形成能力的关系
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第３ ２卷
第 ４期
哈尔滨师 范大学 自然科 学学报
ＮＡ Ｔ ＵＲＡＬ Ｓ ＣＩ Ｅ ＮＣ Ｅ Ｓ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢ Ｉ Ｎ ＮＯＲ ＭＡＬ ＵＮＩ Ｖ ＥＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖ ｏ １ ． ３ ２ ， Ｎ ｏ ． ４ ２ ０ １ ６
Ｃ ｕ Ｚ ｒ 非 晶 中 热 膨 胀 系数 与 非 晶 形 成 能 力 的 关 系
０ 引言
大 块金 属玻 璃是 一类 新 型 的非 晶材 料 ， 由于
该 文采 用 分 子 动 力 学 模 拟 的 方 法 ， 研 究
它独 特 的机 械和 物理 特性 ， 成 为 了凝 聚 态物 理 的 前 沿课 题 ＿ １ － ２ ］ ． Ｃ ｕ Ｚ ｒ 非 晶合 金是 研究 比较 早 的二 元合 金 体 系 ， 它 具 有 比较 强 立方 （ ｆ ｃ ｃ ） ， 体 心立方 （ ｂ ｃ ｃ ） 和密 排六方（ ｈ ｃ ｐ ） 等． 其中 ｆ ｃ ｃ和 ｈ ｃ ｐ结构都含有 ｌ ２ 个 配位数 ， 堆 积产 生 的间 隙最 小 ， 成 为最 密 堆积 ；
８ ２
哈尔滨师范 大学 自然科学学报
２ ０ １ ６年 第 ３ ２卷
ｂ ｃ ｃ和 ｓ ｃ结构 都含 有 ６个 配位 数 ， 不是 最 密堆 积
方式 ， 且 ｓ ｃ结构 不 常见 ． Ｆ ｒ ａ ｎ ｋ指 出 １ ２个 配 位 数
的堆积 方式 除 了 ｆ ｃ ｃ和 ｈ ｃ ｐ ， 还有 ｉ ｃ ｏ （ 正 二 十 面 体 结构 ） ， ｉ ｃ ｏ 结 构 由于 具 有 五 重 对 称 性 ， 不 可 能
结构类型数量与 ｚ ｒ 含量 的关系． 纵坐标 Ⅳ代表原 子
结 构 类 型 数 量 百 分 比
● ＇
９ ０ ％左 右 突 然 增 大 ； ｉ ｃ ｏ结 构 先 增 加 后 减 小 ， 从
大值 ［ ４ ］ ． Ｐ ａ ｒ ｋ 将Ｃ ｕ— ｚ ｒ 二元合金看作是硬球模 型， 研究 了自由体积 与非 晶形成 能力 的关 系， 发 现 对应 自由体 积 越 小 的 组 分 ， 非 晶形 成 能 力 越 好 Ｊ ． Ｂ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ 等人 研究 了 Ｃ ｕ ｌ ０ ０ 一 Ｚ ｒ ｘ （ ３ ０≤ ≤ ５ ４ ） 合金体积膨胀系数与脆性和玻璃形成能力之 间的关 系 ， 发现 ｚ ｒ 含量为 ３ ６ ％， ４ ４ ％和 ５ ０ ％ 三 个组分的合金液体非晶形成能力最好 Ｊ ． 影响非 晶形成能力的因素有很多 ， 虽然非 晶的形成原因 还没 有 定论 ， 但普 遍认 为 金属 熔体 中 的原子 结 构
力好 的组分 处 ， 发现对 应 密度 和热 膨 胀 系数 的最
１ 买 验 方 法
该 文采 用 了分 子 动力学 模 拟 的方法 ， 原 子 间 采 用镶嵌 原 子势 ， 模 拟 过 程 中选 用 Ｎ Ｐ Ｔ系综 ， 时 间步长 为 ０ ． ０ ０ ２ ｐ ｓ ， 模 拟 的系 统 为 ３ ２ ０ ０ ０个 原 子 按 照 比例成 份置 于立方 盒子 中 ， 采用 周期 性 边 界 条件 ， 将 系统从 １ ０ ０ Ｋ 的温度加热 到 １ ６ ０ ０ Ｋ， 在 １ ６ ０ ０ Ｋ进 行 弛 豫 １ ｘ １ ０ 步 达 到 平 衡 态 ， 然 后 对
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６一ｔ １ —２ １
系统从 １ ６ ０ ０ Ｋ进行快速冷却一 直到 １ ０ ０ Ｋ ， 冷却 速 率为 ３ ． ７ ５×１ ０ １ ２ Ｋ ／ ｓ ， 记 录 降温 过程 中的 温度 、
势能、 体 积 和原子 坐标 ． 利用 Ｏ Ｖ Ｉ Ｔ Ｏ 可视 化 软 件 ， 观 察 局 域 原 子 结 构 及其类 型进 行分 析 ． 晶体 中分 子 的堆 积有 简 单
存 在具 有单 一 晶体 结 构 的单 晶 中 ， 是 液 体 阻碍 晶 体 成核 的重 要结 构 ¨ 卜 Ｊ ．
７ ５
７ ｍ’ ａ ．
Ｂ ＇
Ｂ妇 ＇
５ Ｍ ｒ ５ ＇ 旷
４ ＇
图２ １ ０ ０ Ｋ时 Ｃ ｕ １ ０ ０ 一 Ｚ （ ＝ ０ ， １ ， ２ …１ ０ ０ ） 合 金 原 子
利 于非 晶的形 成．
【 关键词】分子动力学模拟 ； 热膨胀 系数； 非晶形成能力
中图分类号 ： ０ ７ ５ １ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ０—５ ６ １ ７ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ４— ０ ０ ８ １ — ０ ３
与 非 晶形 成 能力 密切相 关 ］ ．
了Ｃ ｕ Ｚ ｒ 合金在降温过程 中体积的变化以及热膨 胀 系数 的变化 ， 试 图探讨 高 温液 体体 积 变化 与 玻
璃 形成 能力 的关 系．
验室也 比较容易制备 ， 具有优异 的力学性能 ， 是 非晶合金领域研究的热点合金之一 Ｊ ． Ｋ ｅ ｈ ｏ ｎ研 究 过 冷 液 体 Ｃ ｕ １ ０ ０ 一 Ｚ ｒ ｘ （ ３ ０≤ ≤ ５ ５ ） 的粘度时证 明了强液体的非晶形成 能力好 ， 在Ｃ ｕ ５ ０ ｚ ｒ ５ ｏ ， Ｃ ｕ ５ ４ ｚ ｒ ４ ６ 和 Ｃ ｕ ６ ４ ｚ ｒ ３ ６ 三个 玻 璃 形 成 能
李 洋洋
（ 哈尔滨师范大学）
【 摘
要】采用分子动力学模拟的方法， 研究 了ｃ ｕ １ ０ ０ 一 ｚ （ ＝ ０ ， ｌ ， ２ …１ ０ ０ ） 二
元合金 在 降温过 程 中体 积 随温度 变化 关 系， 计 算得 出高温 阶段 热膨 胀 系数 随 ｚ ｒ 含 量的 变化 关 系 ， 同时观察 降 温 结束 后 原 子 结构 类 型． 发现在 Ｚ ｒ 含量为 ５ ０ ％ 时对 应 ｉ ｃ ｏ ＋ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ非 晶结 构 的 最 大值 ， 同 时对应 高 温液 态 阶段 热 膨胀 系数 的 最 小值 ， 最有
第 ４期
哈尔滨师 范大学 自然科 学学报
ＮＡ Ｔ ＵＲＡＬ Ｓ ＣＩ Ｅ ＮＣ Ｅ Ｓ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢ Ｉ Ｎ ＮＯＲ ＭＡＬ ＵＮＩ Ｖ ＥＲＳ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖ ｏ １ ． ３ ２ ， Ｎ ｏ ． ４ ２ ０ １ ６
Ｃ ｕ Ｚ ｒ 非 晶 中 热 膨 胀 系数 与 非 晶 形 成 能 力 的 关 系
０ 引言
大 块金 属玻 璃是 一类 新 型 的非 晶材 料 ， 由于
该 文采 用 分 子 动 力 学 模 拟 的 方 法 ， 研 究
它独 特 的机 械和 物理 特性 ， 成 为 了凝 聚 态物 理 的 前 沿课 题 ＿ １ － ２ ］ ． Ｃ ｕ Ｚ ｒ 非 晶合 金是 研究 比较 早 的二 元合 金 体 系 ， 它 具 有 比较 强 立方 （ ｆ ｃ ｃ ） ， 体 心立方 （ ｂ ｃ ｃ ） 和密 排六方（ ｈ ｃ ｐ ） 等． 其中 ｆ ｃ ｃ和 ｈ ｃ ｐ结构都含有 ｌ ２ 个 配位数 ， 堆 积产 生 的间 隙最 小 ， 成 为最 密 堆积 ；
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哈尔滨师范 大学 自然科学学报
２ ０ １ ６年 第 ３ ２卷
ｂ ｃ ｃ和 ｓ ｃ结构 都含 有 ６个 配位 数 ， 不是 最 密堆 积
方式 ， 且 ｓ ｃ结构 不 常见 ． Ｆ ｒ ａ ｎ ｋ指 出 １ ２个 配 位 数
的堆积 方式 除 了 ｆ ｃ ｃ和 ｈ ｃ ｐ ， 还有 ｉ ｃ ｏ （ 正 二 十 面 体 结构 ） ， ｉ ｃ ｏ 结 构 由于 具 有 五 重 对 称 性 ， 不 可 能
结构类型数量与 ｚ ｒ 含量 的关系． 纵坐标 Ⅳ代表原 子
结 构 类 型 数 量 百 分 比
● ＇
９ ０ ％左 右 突 然 增 大 ； ｉ ｃ ｏ结 构 先 增 加 后 减 小 ， 从
大值 ［ ４ ］ ． Ｐ ａ ｒ ｋ 将Ｃ ｕ— ｚ ｒ 二元合金看作是硬球模 型， 研究 了自由体积 与非 晶形成 能力 的关 系， 发 现 对应 自由体 积 越 小 的 组 分 ， 非 晶形 成 能 力 越 好 Ｊ ． Ｂ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ 等人 研究 了 Ｃ ｕ ｌ ０ ０ 一 Ｚ ｒ ｘ （ ３ ０≤ ≤ ５ ４ ） 合金体积膨胀系数与脆性和玻璃形成能力之 间的关 系 ， 发现 ｚ ｒ 含量为 ３ ６ ％， ４ ４ ％和 ５ ０ ％ 三 个组分的合金液体非晶形成能力最好 Ｊ ． 影响非 晶形成能力的因素有很多 ， 虽然非 晶的形成原因 还没 有 定论 ， 但普 遍认 为 金属 熔体 中 的原子 结 构
力好 的组分 处 ， 发现对 应 密度 和热 膨 胀 系数 的最
１ 买 验 方 法
该 文采 用 了分 子 动力学 模 拟 的方法 ， 原 子 间 采 用镶嵌 原 子势 ， 模 拟 过 程 中选 用 Ｎ Ｐ Ｔ系综 ， 时 间步长 为 ０ ． ０ ０ ２ ｐ ｓ ， 模 拟 的系 统 为 ３ ２ ０ ０ ０个 原 子 按 照 比例成 份置 于立方 盒子 中 ， 采用 周期 性 边 界 条件 ， 将 系统从 １ ０ ０ Ｋ 的温度加热 到 １ ６ ０ ０ Ｋ， 在 １ ６ ０ ０ Ｋ进 行 弛 豫 １ ｘ １ ０ 步 达 到 平 衡 态 ， 然 后 对
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６一ｔ １ —２ １
系统从 １ ６ ０ ０ Ｋ进行快速冷却一 直到 １ ０ ０ Ｋ ， 冷却 速 率为 ３ ． ７ ５×１ ０ １ ２ Ｋ ／ ｓ ， 记 录 降温 过程 中的 温度 、
势能、 体 积 和原子 坐标 ． 利用 Ｏ Ｖ Ｉ Ｔ Ｏ 可视 化 软 件 ， 观 察 局 域 原 子 结 构 及其类 型进 行分 析 ． 晶体 中分 子 的堆 积有 简 单
存 在具 有单 一 晶体 结 构 的单 晶 中 ， 是 液 体 阻碍 晶 体 成核 的重 要结 构 ¨ 卜 Ｊ ．
７ ５
７ ｍ’ ａ ．
Ｂ ＇
Ｂ妇 ＇
５ Ｍ ｒ ５ ＇ 旷
４ ＇
图２ １ ０ ０ Ｋ时 Ｃ ｕ １ ０ ０ 一 Ｚ （ ＝ ０ ， １ ， ２ …１ ０ ０ ） 合 金 原 子
利 于非 晶的形 成．
【 关键词】分子动力学模拟 ； 热膨胀 系数； 非晶形成能力
中图分类号 ： ０ ７ ５ １ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ０—５ ６ １ ７ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ４— ０ ０ ８ １ — ０ ３
与 非 晶形 成 能力 密切相 关 ］ ．
了Ｃ ｕ Ｚ ｒ 合金在降温过程 中体积的变化以及热膨 胀 系数 的变化 ， 试 图探讨 高 温液 体体 积 变化 与 玻
璃 形成 能力 的关 系．
验室也 比较容易制备 ， 具有优异 的力学性能 ， 是 非晶合金领域研究的热点合金之一 Ｊ ． Ｋ ｅ ｈ ｏ ｎ研 究 过 冷 液 体 Ｃ ｕ １ ０ ０ 一 Ｚ ｒ ｘ （ ３ ０≤ ≤ ５ ５ ） 的粘度时证 明了强液体的非晶形成 能力好 ， 在Ｃ ｕ ５ ０ ｚ ｒ ５ ｏ ， Ｃ ｕ ５ ４ ｚ ｒ ４ ６ 和 Ｃ ｕ ６ ４ ｚ ｒ ３ ６ 三个 玻 璃 形 成 能
李 洋洋
（ 哈尔滨师范大学）
【 摘
要】采用分子动力学模拟的方法， 研究 了ｃ ｕ １ ０ ０ 一 ｚ （ ＝ ０ ， ｌ ， ２ …１ ０ ０ ） 二
元合金 在 降温过 程 中体 积 随温度 变化 关 系， 计 算得 出高温 阶段 热膨 胀 系数 随 ｚ ｒ 含 量的 变化 关 系 ， 同时观察 降 温 结束 后 原 子 结构 类 型． 发现在 Ｚ ｒ 含量为 ５ ０ ％ 时对 应 ｉ ｃ ｏ ＋ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ非 晶结 构 的 最 大值 ， 同 时对应 高 温液 态 阶段 热 膨胀 系数 的 最 小值 ， 最有