非晶Cu形成及晶化过程结构演变的分子动力学模拟研究文献综述

 2021-10-08 18:51:39

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1.非晶合金概述

非晶合金（或金属玻璃）是近几十年采用现代快速冷凝冶金技术获得的性能独特的新型材料，非晶态是指物质内部结构中原子呈长程无序排列的一种状态[1]。非晶态既可以由熔融（液态）物质在冷却过程中不发生结晶而形成，也可以由物质原子通过气相沉积、离子束混合、机械合金化或强变形等方法获得。非晶态合金或金属玻璃与传统氧化物玻璃不同，合金中原子的结合是金属键，而不是共价键，所以许多与金属相关的特性被保留下来，例如，非晶韧性好、不透明，而不是像氧化物那样很脆且透明。从某种意义上讲，非晶态结构是无缺陷的，而不是像晶体材料那样有位错和晶界等。

2.非晶合金的形成理论

2.1 非晶合金形成热力学

非晶形成能力（简称GFA）是指一个体系形成非晶的难易程度。大量的实验经验表明几乎所有的液体都可以冷冻成非晶态，但是它们的形成非晶的难易程度截然不同。对于一些氧化物如SiO2，在小于10-3 K/s的冷却速率下就可以形成非晶（玻璃）态，而很多金属和合金体系在1010 K/s的冷却速率条件下都难以形成非晶态。形成非晶能力的差别超过13个量级，如此之大的差别，很难有一个物理参数来表征不同体系的非晶形成能力。一般认为在相同冷却条件下，形成的非晶尺寸越大、其形成能力越强。研究发现即使对于金属体系，其形成能力的差别也大于12个量级，一般把临界尺寸大于1 mm的非晶合金称为块体非晶合金。非晶形成能力差别如此之大的原因在于液体体系的非晶形成能力与其热力学、动力学、化学键合和结构密切相关。假设是稳态形核，形核速率就是热力学和动力学因素共同决定：

（1）

式中 -单位体积的原子数目； -频率因子；k-Boltzmann常数；T-绝对温度；D-有效扩散系数；ΔG*-晶胚必须克服的激活能；I-形核速率。

根据经典形核理论[2]，形核功的表达式为：

（2）

式中σ-晶核与熔体间的界面能； -液固自由能差，即结晶驱动力。

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