Cu-Zr和Cu-Ag合金熔体结构动力学表征及非晶动态力学性能研究

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本文采用分子动力学模拟的方法,运用修正的镶嵌原子势(MEAM),研究了易混溶的Cu-Zr和难混溶的Cu-Ag合金熔体的结构及动力学特征的差异并探讨了两种体系非晶的动态力学性能。以上研究对于认识金属玻璃的本质、玻璃转变机制以及变形机制具有重要意义。  对于Cu-Zr合金熔体,当温度低于1200K,MSD曲线上出现一个平台,并且随着温度的降低,平台逐渐明显。而对于Cu-Ag体系,平台出现的时间较短,甚至可以忽略。对扩散系数研究发现Cu-Zr体系的扩散系数远远低于Cu-Ag体系。非相干散射因子F。(q,t)的计算结果与MSD曲线呈现相同的趋势,说明Cu-Zr体系比Cu-Ag体系具有更明显的β弛豫现象。根据MCT理论对扩散系数和弛豫时间进行了拟合,发现由两者拟合得到的临界温度Tc值差别不大,说明扩散系数与弛豫时间之间的相关性。  对两个体系的结构分析,发现Cu-Zr体系中<00120>、<0281>和<0280>等正二十面体和五次对称性强的类二十面体的数量远远高于Cu-Ag体系,并且这些团簇数量随着温度的降低逐渐增加;Cu-Ag体系中的多面体主要是<0363>、<0364>和<0282>等一些非二十面体团簇和类晶型团簇。二十面体和类二十面体团簇易形成骨架阻碍原子运动,原子运动减慢,原子扩散系数降低,弛豫时间增加,从而导致Cu-Zr体系的扩散能力远远低于Cu-Ag体系,非晶形成能力远远高于Cu-Ag体系。两种体系在过冷条件下弛豫时间与五次对称符合关系τα=τ0expM/(1-W)σ,扩散系数与五次对称符合关系D=A*(T*W)B,揭示了微观结构与动力学的内在联系。  对两者非晶动态力学性能的研究,发现Cu-Zr和Cu-Ag两种体系的β弛豫都是以过剩尾的形式在损耗模量曲线体现出来的,但是Cu-Ag体系在α弛豫峰左侧部分高于Cu-Zr体系,这表明Cu-Ag体系的β弛豫比Cu-Zr体系更容易激活,这是由于Cu-Zr非晶的二十面体团簇的数量远远高于Cu-Ag非晶。研究了机械应变对两种体系动态力学性能的影响,发现升高温度和增大振幅对两种体系来说对应的弛豫过程是很相似的,说明机械应变和温度对体系的弛豫动力学起到相似的作用,机械应变对弛豫动力学的影响具有普遍性。  同时研究了α弛豫与结构不均匀性的相互关系,发现对于Cu-Zr体系,在α弛豫峰峰值温度,原子最可能的位移距离与平均最近邻原子间距的比值(up/rp)接近一个常数,约为23%,而对于Cu-Ag体系,up/rp的数值约为21%。说明α弛豫通常发生在原子移动距离是平均原子间距的约为21%-23%处,这与文献结果一致。  进一步研究了两者内耗关系,发现内耗与快原子近似地满足一次线性关系,由于Cu-Zr体系中正二十面体数量远远多于Cu-Ag体系,抑制了原子运动,使快原子数量减少,因此导致了Cu-Zr体系的内耗小于Cu-Ag体系。
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