Cu50Zr50合金在TA附近的結構變化*

楊偉鈺

(哈爾濱師范大學)

0 引言

探索溫度和金屬玻璃結構之間的關系是材料科學和物理學中一個富有挑戰(zhàn)性但又有趣的課題[1].當液體從熔點Tm以上的高溫淬火到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時，它逐漸變得粘稠，動力學發(fā)生顯著變化.在這個過程中，出現(xiàn)了一些有趣的動力學現(xiàn)象，如Stokes-Einstein(SE)關系的破裂以及Arrhenius到非Arrhenius 轉(zhuǎn)變[2-3].通過對不同類型玻璃形成液體的研究發(fā)現(xiàn)，液體的弛豫時間(或粘度)隨溫度的演變在高溫區(qū)符合Arrhenius關系，隨著溫度降低變?yōu)榉茿rrhenius關系，由Arrhenius關系轉(zhuǎn)變?yōu)榉茿rrhenius關系的溫度一般稱為TA[4-5].對于TA附近的結構變化，Ryan Soklaski等學者發(fā)現(xiàn)了在過冷液體中存在局部優(yōu)先結構，當溫度達到TA時，原子開始從孤立的二十面體形成連接的二十面體團簇[6-7]. Y.C.Hu等發(fā)現(xiàn)了液體中的動力學轉(zhuǎn)變現(xiàn)象與淬火過程中結構相關長度的增長密切相關[8].

Cu50Zr50在所有二元合金中表現(xiàn)出較高的玻璃形成能力(GFA)，這使得它成為實驗和模擬研究玻璃形成機理和塑性變形的良好候選材料[9-10].在該文中，通過分子動力學模擬的方法分析了金屬玻璃形成液體Cu50Zr50在淬火過程中的局部結構變化和TA之間的關系.

1 實驗材料及方法

2 實驗結果及分析

通過對Cu50Zr50合金的動力學粘度計算可以得到它的交叉溫度1197 K.圖1描述的是二十面體團簇中包含的原子數(shù)量和二十面體團簇數(shù)量隨著溫度變化的過程.圖1(a)顯示在Cu50Zr50的淬火過程中，二十面體的原子數(shù)量逐漸增多.從圖中可以看出，二十面體中原子數(shù)量的增長可分為2個階段，在溫度從1600 K降至1200 K時，二十面體中原子數(shù)量增長較為緩慢，而當溫度低于1200 K時，開始迅速增長，這個溫度正是在其交叉溫度TA附近.這說明在TA附近二十面體團簇中的原子數(shù)量開始大量的增長.圖1(b)描述了二十面體團簇的生長情況.當溫度處于1600～1100 K，二十面體團簇的數(shù)量在不斷增加，這表明體系中大量二十面體團簇中的原子開始連接；溫度降至1100 K后，二十面體團簇的數(shù)量開始逐漸減小.這表明，在TA附近，二十面體團簇逐漸開始連接，形成了更大的二十面體團簇，從而導致它的數(shù)量減少.

圖1 (a)Cu50Zr50中的二十面體的原子數(shù)量隨著溫度的變化.(b)Cu50Zr50中二十面體團簇數(shù)量隨溫度的變化

圖2描述了Cu50Zr50從1600 K降溫到200 K的過程中，二十面體的連接方式.二十面體是以點共享(共享1個原子，在圖2中標識為common atom1)、邊共享(共享2個原子，在圖2中標識為common atom2)、面共享(共享3個原子，在圖2中標識為common atom3)、交叉共享(共享5個原子，在圖2中標識為common atom5)的方式相互連接.從圖中可以看出，淬火過程中，相互連接的二十面體團簇數(shù)量呈上升趨勢，并且大部分以交叉共享和面共享為主.二十面體之間的相互連接使體系從短程有序不斷的向中程有序發(fā)展，二十面體的交叉共享會形成Bergman中程序[13].

圖2 二十面體團簇連接方式隨溫度變化

圖3顯示了Cu50Zr50從1600 K冷卻到200 K時Bergman團簇包含的原子數(shù)量和團簇數(shù)量的變化情況.在圖3(a)中隨著溫度的降低，Bergman團簇中的原子數(shù)量呈增加趨勢.Bergman團簇中的原子數(shù)量增長分為2個階段，在溫度1600～1200 K之間緩慢上升，而當溫度繼續(xù)從1200 K降低至200 K時迅速增加.這個溫度剛好在TA附近.在圖3(b)中，Bergman團簇數(shù)量在溫度從1600 K降低至1100 K的過程中呈增加趨勢，且在1200～1100 K時增加的非?？?，這恰好在TA附近.而當溫度繼續(xù)降低時，Bergman團簇數(shù)量呈下降趨勢，這是Bergman團簇相互連接所致.Bergman團簇相互聚集成一個骨架網(wǎng)絡結構，這可能是導致Cu50Zr50體系形成玻璃的關鍵因素，因為它減緩了金屬玻璃形成液體中的動力學轉(zhuǎn)變過程.

圖3 (a)Cu50Zr50中的Bergman團簇中的原子數(shù)量隨著溫度的變化.(b)Cu50Zr50中Bergman團簇數(shù)量隨溫度的變化.

3 結論

該文中，分析了Cu50Zr50金屬玻璃短程序、中程序和TA之間的關系.發(fā)現(xiàn)二十面體團簇和Bergman團簇中的原子數(shù)目在TA附近迅速增加，二十面體團簇和Bergman團簇在TA附近相互連接，并且表現(xiàn)出很強的空間相關性.二十面體團簇和Bergman團簇聚集成的網(wǎng)絡可能是減緩系統(tǒng)動力學的關鍵.這一發(fā)現(xiàn)為進一步研究金屬玻璃的結構和動力學轉(zhuǎn)變溫度之間的關系提供了一些基礎，更有助于理解金屬玻璃的結構.