【摘 要】
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新型B基B-Sm(La)-Co非晶合金具有极高的热稳定性和硬度,非晶态合金的宏观性能与其局部原子结构密切相关,但是由于其复杂的原子结构及有限的实验分析手段,非晶合金的原子结构和‘结构-性能’关系尚未得到很好地认识,计算机模拟目前已经成为研究材料的原子尺度结构细节的有效方法。本文采用从头算分子动力学(AIMD)的模拟方法对B基非晶合金进行模拟研究,通过对比B基B50Sm10Co40和Co基Co65S
【基金项目】
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国家自然科学基金(NSFC Grant No.51871039);
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新型B基B-Sm(La)-Co非晶合金具有极高的热稳定性和硬度,非晶态合金的宏观性能与其局部原子结构密切相关,但是由于其复杂的原子结构及有限的实验分析手段,非晶合金的原子结构和‘结构-性能’关系尚未得到很好地认识,计算机模拟目前已经成为研究材料的原子尺度结构细节的有效方法。本文采用从头算分子动力学(AIMD)的模拟方法对B基非晶合金进行模拟研究,通过对比B基B50Sm10Co40和Co基Co65Sm10B25非晶合金的原子和电子结构,探究B基非晶合金的结构特征及B50Sm10Co40非晶合金高热稳定性和硬度的结构因素。其次通过对比B50Sm10Co40、B50Sm20Co30和B50La10Co40三个B基非晶合金的原子级结构,探究稀土元素Sm含量的增加和La替代Sm对B基非晶合金局域微观结构的影响。主要研究结果有:1、对分布函数(PDF)和Voronoi多面体分析结果表明B50Sm10Co40和Co65Sm10B25非晶合金的短程序(SRO)存在较大的差异:B50Sm10Co40的SRO特征主要为以B为中心的覆盖三个半八面体的三棱柱(tricapped trigonal prism,TTP)和上下分别覆盖一个半八面体对的阿基米德反棱镜(bicapped square antiprism,BSAP)的小型团簇(配位数为8~10),而类二十面体团簇含量较少,这些主要以B-B和Co-B共价键形成的棱柱形团簇的致密堆积导致了B50Sm10Co40非晶合金极高的硬度(Hv)和弹性模量(E)。具有较低的硬度和杨氏模量的Co65Sm10B25合金的SRO主要为由Co-B和Co-Co原子对组成的B为中心的TTPs和Co为中心的类二十面体团簇。2、通过均方根位移(MSD)分析发现B50Sm10Co40在各个温度下的原子扩散能力均远小于Co65Sm10B25,证明B50Sm10Co40更高的热稳定性。B50Sm10Co40非晶合金中存在大量B-B和Co-B共价键形成的稳定团簇,造成较大的原子长距离迁移势垒,导致其较高的热稳定性。3、通过对比B50Sm10Co40和B50Sm20Co30非晶合金的原子和电子结构,发现Sm含量的增加使得B50Sm20Co30中TTP团簇含量显著增加,是B50Sm10Co40中的~1.7倍。并且B50Sm20Co30中B-B和Co-B共价键含量更高,B-B、B-Sm和Co-Sm的平均原子间距减小。较大尺寸的Sm含量增加提供了更多的原子空隙,利于小尺寸的B和Co高温下的迁移,造成了B50Sm20Co30更低的热稳定性。4、通过对B50Sm10Co40和B50La10Co40非晶合金的原子和电子结构的研究发现,与B50Sm10Co40合金不同,B50La10Co40的SRO团簇主要由B-B、Co-B和Co-Co原子对组成,且BSAP团簇的含量明显高于B50Sm10Co40。La和Sm与其他原子均形成离子键。均方根位移分析结果表明,高温下热稳定性B50Sm10Co40>B50La10Co40>B50Sm20Co30>Co65Sm10Co25,与实验结果一致。
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