Al3X(X=Co, Ti)液态合金结构转变的分子动力学模拟

伏春平

(重庆文理学院物理系， 重庆　永川　402160)



Al3X(X=Co, Ti)液态合金结构转变的分子动力学模拟

伏春平

(重庆文理学院物理系， 重庆永川402160)

[摘要]文章研究了Al3X(X=Co, Ti)合金的微观结构. 通过对分布函数、键对等分析得出：随着温度的快速降低，Al3X(X=Co, Ti)合金体系的对分布函数的第二峰在900 K发生轻微的劈裂,则确定出体系的玻璃态的转变温度为900 K；温度从900~300 K降温过程中，Al3X (X=Co, Ti)合金体系对分布函数g(r)第一峰的峰高随着温度的降低而增高，变得尖锐；第二峰出现明显的劈裂，温度降至300 K，Al3Ti合金中1551键对的含量达到23.8﹪，说明其状态为非晶结构；而Al3Co合金体系中表征二十面体的1551键对的含量为27.5﹪;说明Al3Co合金体系较Al3Ti合金形成非晶的能力强.

[关键词]分子动力学;非晶合金; Al3Ti; Al3Co

非晶态合金,又被称为金属玻璃.固态时原子的排列呈无序状态，但在一定温度范围内这种状态保持相对稳定，即具有长程无序、短程有序的特征.与传统的合金材料比较，非晶合金具备高硬度、高强度、高弹性、耐腐蚀和耐磨等优异的性能，其优异的力学特性、化学特性、电化学特性、催化活性和电磁学特性在国防事业和工业上具有潜在的应用价值，因而引起人们极大的兴趣[1-8].20世纪60年代，美国加州理工学院Duwez研究小组用快速淬火技术制得Au75Si25金属熔体，这就是世界上首次报道的非晶态合金;1969年，Pond等人制备了长达几十米的非晶薄带，80年代日本东北大学的A.Inoue等成功发现了多组元块体非晶合金[2-4].近年来，研究者已经能够在实验室制备出大块体的 Al 基非晶合金系，如Al -Cu、Al -Zr、Al-Ni-Zr、Al-Cu-Ni-Zr-Be非晶合金系等，其Al基非晶合金材料在应用中表现出优异的力学性能、耐腐蚀性能，同时Al基块体非晶合金有较低的成本，在多个领域得到应用. Co 基非晶合金具有矫顽力低、磁导率高，以及优异的温度稳定性和时效稳定性、零磁致伸缩系数等特点[9-12]；而Ti基合金具有高温抗蠕变、抗腐蚀性能以及轻质等特性,在航空航天等多个领域应用广泛.本文就Al3X(X=Co, Ti)合金玻璃形成能力进行分子动力学的模拟研究.

1模拟研究的条件和方法

采用经典的分子动力学方法，使用开源的大规模原子/分子并行程序(LAMMPS)[3-10]. 由于原子间的多体作用效应，在计算中采用镶嵌原子势(EAM)[11,12]，边界条件采用立方周期性边界条件，模拟过程中采用等温等压(NPT)系综，数值积分采用速度形式的Verlet算法，时间步长设定为2.0 fs. 模拟计算在含有0.4万个原子的立方元胞中进行，其中Al和X的原子数比为3∶1；随机地把0.4万个原子在面心立方点阵上进行分布；接着让系综在2 000 K等温弛豫运行5万步以达到液态的平衡，然后快速冷却到300 K[5].在此基础上再运行1万步，获得系统的微观结构，从而运用微观结构分析程序分析Al3X(X=Co, Ti)合金玻璃形成能力.

2Al3X(X=Co, Ti)合金模拟结果与分析

众所周知，液态体系中原子在其内部做无规则运动，此时原子不能用固定的坐标来描述，而非晶合金态中的原子与其有相似的分布，二者之间的径向分布函数的曲线也很接近；但非晶合金态中的原子可以用固定的位置坐标来描述，原子在坐标周围不停地振动，在非晶合金态中径向分布函数g(r)第一峰较窄较尖锐，第二峰会劈裂成两个峰，其中劈裂的第一峰略高于第二峰，形成驼峰状.所以，经向分布函数g(r)的第二峰劈裂是判断体系是否为非晶合金的重要标准之一.

图1中展示了Al3X(X=Co, Ti)非晶合金在快速冷却的过程中所呈现的径向分布函数图.从图1(a)中知，Al3Ti随着温度从1 800 K快速冷却至300 K的过程中温度在T=1 800 K，T=1 500 K，T=1 200 K，T=900 K，T=600 K，T=300 K时的径向分布函数，随着温度的快速降低，第一峰值快速升高，峰端越来越尖锐，峰宽也慢慢变窄，呈尖窄状态，表明Al3Ti体系中心原子的配位数增多，短程有序性加强.当温度T=900 K，第二峰端出现微弱的劈裂.在T=600 K时，第二峰劈裂，形成非晶.图1(b)中展示了Al3Co非晶合金从1 800 K至300 K过程中T=1 800 K，T=1 500 K，T=1 200 K，T=900 K，T=600 K，T=300 K时的径向分布函数，对于径向分布函数的第二峰，随着温度的快速降低，其峰值越来越突出.在1 800 K~1 200 K这个降温过程中，第二峰越来越尖锐，Al3Co体系的结构未改变.但T=900 K时，第二峰开始劈裂，表明体系的结构向非晶态转变.温度T=600 K时，第二峰劈裂得更明显.因此，Al3X(X=Co, Ti) 非晶合金在1 800 K~1 200 K的降温过程中，未发生玻璃态转变，而当T=900 K时，向玻璃化转变.

图1　Al3X(X=Co, Ti)合金在1 800~300 K温度范围内每隔300 K的对分布函数

为了深入研究Al3X(X=Co, Ti)合金在冷却过程中结构的变化，采用对分析技术来研究液态、非晶态的结构.所谓对分析技术是指用任意成键关系和周围公有原子间的成键关系来标示这对原子结构特征.在实际的研究当中，一般用4个整数的原子键对来表示局域原子结构.例如用ijkl4个整数来表示，第一个i=1时，表示成键；第二个整数j表示原子对周围原子成键的数目；k则表示两个原子公有成键原子间的成键数目；最后l则是用来唯一确定某一类键对是任意给出的.常见的几种存在于非晶态、典型液态以及晶态中的键对，如在非晶态存在1551、1541、1431键对，其中1551表示局域二十面体；而1541、1431则表征无序或缺陷局域结构，因此可以通过键对的含量来表征其非晶态.

图2给出了Al3X(X=Co, Ti)合金的HA指数随温度变化的几率分布.从图2(a)中得到，对于Al3Ti合金体系，当温度从1 800 K快速降温至300 K的过程中，Al3Ti合金液态体系内的1551键和1541键的含量增加；在T=1 800 K时，表征二十面体的1551键对的含量为14.4﹪，当温度降至300 K时其含量达到23.8﹪，增多了9.6﹪.表征缺陷二十面体的1541键对在T=1 800 K时,其含量为17.8﹪;但当温度降至300 K时其含量达到23.5﹪.这说明Al3Ti合金在T=300 K时其状态为非晶结构.然而，在冷却的过程中1431键的含量基本保持在20﹪左右.从图2(b)中得到，温度T=1 800 K时，Al3Co合金体系中表征二十面体的1551键对和缺陷二十面体的1541键对以及1431键对的含量分别为7.5﹪、9.4﹪、12.5﹪；但随着温度从1 800 K降到1 200 K，Al3Co合金体系内的1551键对、1541键对、1431键对随T的降低而增加；温度从1 200 K降到900 K的过程中，Al3Co合金体系的1541键对、1431键对含量增量不多，而表征二十面体的1551键对的增势迅猛，在900 K时其含量增至16﹪；当从900 K降至300 K时，Al3Co合金体系中表征二十面体的1551键对的含量增至27.5﹪， 1541键对和1431键对的总和为35﹪.1551键对、1541键对、1431键对随着温度的快速降低而增加可以说明Al3Co合金体系能够形成很好的玻璃态.对比Al3Ti合金和Al3Co合金发现，当温度降至300 K时，Al3Ti合金体系中的1551键对的含量为23.8﹪，Al3Co合金体系中的1551键对的含量为27.5﹪，说明Al3Co合金体系较Al3Ti合金形成非晶的能力强.

图2　Al3X(X=Co, Ti)合金的HA指数随温度变化的几率分布

3结论

本文采用分子动力学模拟方法，利用开源的大规模原子/分子并行程序(LAMMPS)研究了Al3X(X=Co, Ti)合金的微观结构随温度的变化关系，分析了体系的双体分布函数g(r)和键对指数，得到以下结论：

(1)对于液态Al3X(X=Co, Ti)合金体系, 当温度降到900 K时，Al3Co合金体系和Al3Ti合金都开始向非晶结构转变，表明Al3X(X=Co, Ti)合金体系的非晶化转变温度T=900 K.

(2)当温度降至300 K时，Al3Ti合金中1551键对的含量达到23.8﹪，说明其状态为非晶结构；而Al3Co合金体系中表征二十面体的1551键对的含量为27.5﹪，说明Al3Co合金体系较Al3Ti合金形成非晶的能力强.

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(责任编辑吴强)

Molecular dynamics simulation of glass forming ability of

Al3X(X=Co, Ti) amorphous alloys

FU Chunping

(Dept. of Physics,Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：Basing on molecular dynamics simulation, we have studied the structure transformation of Al3X (X=Co, Ti) alloy. This work gives the microstructures properties, pair-correlation function, Honey-Andersen (HA) indices analysis shows that Al3X (X=Co, Ti) alloy systems began to transform into a glass state with the temperature rapid decrease to 900 K .The process temperature is decreased from 900 K to 300 K, the radial distribution function g(r) the first peak height with increased, width as decreasing temperature, and the Al3X (X=Co, Ti) alloy system are amorphous alloy when second peak appeared obvious splitting. The temperature drops to 300 K, the 1551 bond pairs increase to 23.8﹪ with decreasing temperature in the Al3Ti alloy system, and the 1551 bond pairs of Al3Co alloy system increase to 27.5﹪; so that the latter is easier to transformed into the glass state.

Key words：molecular dynamics; amorphous alloy pressure; Al3Ti; Al3Co

[中图分类号]TG139.8

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2015)05-0009-04

[作者简介]伏春平(1986—)，男，藏族，四川平武人，硕士，助教，主要从事材料物理方面的研究.

[基金项目]重庆文理学院校级科研项目(Z2013KJ17)；永川区自然科学基金(Ycstc,2014nc4002).

[收稿日期]2015-04-15