中国科学: 技术科学 2011年 第41卷 第6期: 745 ~ 753

《中国科学》杂志社

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Al-Ni非晶合金的原子堆垛结构及密度的 第一性原理分子动力学模拟

于春燕, 惠希东*, 陈晓华, 林德烨, 刘梓葵, 陈国良

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① 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083;

② Department of Materials Science and Engineering, Pennsylvania Sate University, University Park, PA 16802, USA * E-mail: xdhui@ustb.edu.cn

收稿日期: 2010-06-17; 接受日期: 2010-09-16

国家重点基础研究发展计划(批准号: 2007CB613901)和国家自然科学基金(批准号: 50871013, 50901006)资助项目

摘要 在Al基非晶合金中, Al-Ni系的非晶形成能力(GFA)相比其他系列较佳, 但是目前对Al-Ni二元合金系的原子排列、玻璃转变和堆垛密度与成分之间的内在联系, 至今还未形成系统的认识. 本文利用第一性原理分子动力学(AIMD)模拟方法对AlxNi100-x(x=80, 83, 85, 86, 87, 90)二元非晶合金的原子堆垛结构和密度进行了研究. 双体分布函数和Voronoi 多面体分析表明, 在该非晶合金系中存在明显的拓扑和化学短程有序, 拓扑短程序主要是由以Al 原子为中心的类似二十面体结构和以Ni原子为中心的三棱体覆盖三个半八面体(TTP)结构组成. 在该合金系非晶中Al与Ni原子间存在强烈的化学交互作用, Al-Ni原子对键长小于原子半径和, 化学有序随着Ni含量的增加呈现增加的趋势. AIMD计算结果表明, 当x=85时, 合金的堆垛密度出现了峰值, 偏离了直线规律. 综合结构特征和密度特征, 从理论上推断, 当Al 含量为84%~86%时, 合金的非晶形成能力较好, 可以推广至多元合金体系.

关键词

AIMD

Al-Ni合金 密度 短程有序 化学有序

Al基非晶合金以其高强度、低密度、良好的耐蚀性与耐磨性等优异性能, 一度成为材料工作者的研究热点. 20世纪80年代, 人们就在Al-EM(early transition metal)-LM(late transition metal)[1], Al-Re(rare earth metal)-LM[2], Al-TM-Re[3]等合金系中得到了具有良好韧性和抗蚀性等优异性能的金属玻璃, 但由于该系合金非晶形成能力(GFA)不佳, 得到的仅为条带状或粉末状样品, 极大的限制了其应用. 为提高其GFA, 人们分别从热力学判据[4]、动力学参数[5]、原子尺寸错配[6]、化学作用[7]、原子结构[8]等几个方面展开了广泛研究. 其中, 研究合金原子结构在过冷液

态以及非晶态的特点及演变规律, 对理解合金的玻璃形成本质和形成机制, 以及高GFA合金的成分设计有重要意义.

人们采用X射线衍射、中子衍射等方法已经对Al-Mn[9], Al-Fe, Al-Fe-Ce[10, 11], Al-Y, Al-Y-Ni[12]和Al-Ni[13, 14]等合金系的液态和非晶态结构特征进行了研究, 这些实验研究给出了一些有关结构的信息, 但这些数据往往反映的是统计平均的结果, 有关局域有序结构的信息则需要借助于合理的理论结构模型. 近年来, 采用第一性原理分子动力学(AIMD)模拟和反蒙特卡罗(RMC)模拟方法研究液态和非晶合金的

英文版发表信息: Yu C Y, Hui X D, Chen X H, et al. Ab initio molecular dynamics simulation of the atom packing and density of Al-Ni amorphous alloys. Sci

China Tech Sci, 2010, 53: 3175 3182, doi: 10.1007/s11431-010-4173-3