基于分子动力学的Fe基合金液态与非晶态结构解析与性能关联研究

基于分子动力学的Fe基合金液态与非晶态结构解析与性能关联研究一、绪论1.1研究背景Fe基合金作为现代工业中不可或缺的材料，凭借其优异的综合性能，在众多领域发挥着关键作用。在建筑领域，Fe基合金是构建坚固结构的基础材料，其高强度和良好的韧性确保了建筑物在各种复杂环境下的稳定性与安全性；在机械制造行业，Fe基合金广泛应用于制造各种机械零部件，如发动机曲轴、齿轮等，满足了不同机械设备对材料性能的严格要求；在交通运输领域，无论是汽车的车身结构件，还是火车的轨道和车厢，Fe基合金都以其可靠的性能为交通运输的高效与安全提供了保障。此外，在能源、航空航天等领域，Fe基合金同样扮演着重要角色。非晶态合金作为Fe基合金的一种特殊形态，因其独特的原子排列方式和微观结构，展现出一系列优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性以及优异的软磁性能等。这些独特性能使得非晶态合金在电子、能源、机械等领域具有广阔的应用前景。例如，在电子领域，非晶态合金可用于制造高性能的磁性元件，如变压器铁芯、电感等，能够有效提高电子设备的性能和效率；在能源领域，非晶态合金在储能设备和新能源发电装置中的应用研究也取得了一定进展，有望为解决能源问题提供新的材料选择；在机械领域，非晶态合金可用于制造高耐磨、高强度的机械零部件，提高机械设备的使用寿命和可靠性。液态结构是物质在液态时原子或分子的排列方式和相互作用的表现形式。液态结构对材料的凝固过程和最终性能有着深远影响。在凝固过程中，液态结构决定了原子的扩散和排列方式，进而影响晶体的形核和生长，最终决定材料的微观组织和性能。例如，液态结构中的短程有序区域可能成为晶体形核的核心，影响形核率和晶粒尺寸；液态中原子间的相互作用强度会影响凝固过程中的能量变化，进而影响凝固方式和凝固组织。深入研究Fe基合金的液态结构，有助于揭示其凝固机制，为优化材料制备工艺、提高材料性能提供理论依据。因此，深入研究Fe基合金的液态及非晶态结构，对于揭示其性能的本质来源，进一步优化材料性能、开发新型Fe基合金材料具有重要的理论和实际意义。通过对液态结构的研究，可以更好地理解合金在凝固过程中的行为，为控制凝固组织、提高材料质量提供指导；对非晶态结构的研究，则有助于充分发挥非晶态合金的优异性能，拓展其应用领域，推动相关产业的发展。1.2非晶合金概述1.2.1非晶合金的发展历程非晶合金的发展是材料科学领域的一段充满创新与突破的历程。20世纪中叶，材料科学领域正处于快速发展的阶段，科学家们不断探索新的材料结构和性能。1960年，美国Duwez教授成功发明用快淬工艺制备非晶态合金，这一开创性的成果标志着非晶合金的诞生，犹如一颗璀璨的新星在材料科学的天空中闪耀，为后续的研究和发展奠定了坚实的基础。该工艺通过将液态金属以极快的速度冷却，使得原子来不及有序排列形成晶体结构，从而获得了长程无序的非晶态合金。这一发明打破了人们对传统金属材料晶体结构的固有认知，开启了非晶合金研究的新纪元。从1967年起，非晶软磁合金的发展迎来了第一个重要阶段，并一直持续到1988年。在这期间，科研人员对非晶合金的成分、制备工艺以及性能进行了深入研究，取得了一系列重要进展。1984年，美国四个变压器厂家在IEEE会议上展示实用非晶配电变压器，这一事件成为该阶段的高潮。非晶配电变压器的出现，展示了非晶合金在电力领域的巨大应用潜力。与传统的硅钢变压器相比，非晶配电变压器具有更低的铁损，能够显著提高能源利用效率，减少能源浪费。这一成果引起了广泛关注，推动了非晶合金在电力领域的应用和发展。到1989年，美国AlliedSignal公司已经具备年产6万吨非晶带材的强大生产能力，全世界约有100万台非晶配电变压器投入运行，所用铁基非晶带材几乎全部来源于该公司。这表明非晶合金在电力领域的应用得到了大规模的推广和应用，成为电力行业中的重要材料之一。1988年，日本日立金属公司的Yashiwa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet），这一重大突破标志着非晶态材料发展进入了第二阶段。纳米晶软磁合金综合了非晶合金和纳米晶材料的优点，具有更高的饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力和低损耗等优异性能。这些性能使得纳米晶软磁合金在电子、电力等领域具有更广阔的应用前景。同年，日立金属公司成功实现了纳米晶合金的产业化，并将产品推向市场，进一步推动了非晶合金材料的发展和应用。1992年，德国VAC公司开始推出纳米晶合金替代钴基非晶合金，尤其在网络接口设备上，如ISDN，大量采用纳米晶磁芯制作接口变压器和数字滤波器件。这一应用案例展示了纳米晶合金在电子信息领域的优势，进一步拓展了非晶合金的应用范围。此后，非晶合金的研究和应用不断深入和拓展。在制备工艺方面，除了传统的快淬工艺，还发展了多种新型制备方法，如铜模吸铸法、铜模喷铸法、旋转淬冷法、定向凝固、粉末冶金、高能球磨等。这些新方法的出现，为制备不同形状、尺寸和性能的非晶合金提供了更多选择，推动了非晶合金材料的多样化发展。在应用领域，非晶合金不仅在电力、电子领域得到广泛应用，还逐渐拓展到航空航天、汽车制造、生物医疗等多个领域。在航空航天领域，非晶合金的高强度、低密度等性能使其成为制造航空零部件的理想材料，有助于提高飞行器的性能和燃油效率；在汽车制造领域，非晶合金可用于制造发动机零部件、车身结构件等，提高汽车的性能和安全性；在生物医疗领域，非晶合金的良好生物相容性和耐腐蚀性使其在医疗器械、植入物等方面具有潜在的应用价值。1.2.2非晶合金的特性与应用非晶合金具有许多独特的性能，使其在众多领域展现出巨大的应用潜力。在力学性能方面，非晶合金通常具有比晶态合金更高的强度和硬度。例如，铁基非晶合金的抗拉强度可达1000MPa以上，是传统钢材的4-5倍，其硬度可达700-800HV，是传统钢材的2-3倍。这种高强度和高硬度使得非晶合金在制造高耐磨、高强度的机械零部件方面具有显著优势，如可用于制造切削刀具、模具等，能够有效提高零部件的使用寿命和工作效率。非晶合金还具有良好的韧性，即使在受到剧烈冲击或扭曲时也能保持较高的断裂强度和断裂伸长率。例如，铁基非晶合金的断裂强度可达1000MPa以上，断裂伸长率可达15%以上，这一特性使其在承受动态载荷的应用中表现出色，如在航空航天、汽车制造等领域的零部件制造中具有重要应用价值。非晶合金在软磁性能方面表现卓越，具有高磁导率、低矫顽力和低磁损耗等特点。铁基非晶合金的磁导率比传统硅钢片高，矫顽力低，这使得它在变压器铁芯、电感等磁性元件中的应用能够显著提高能源利用效率，降低能量损耗。在配电变压器中使用铁基非晶合金铁芯，可使空载损耗下降60-70%，有效节约能源，减少电力传输过程中的能量损失。非晶合金还具有良好的高频特性，适用于高频变压器、脉冲变压器等高频磁性器件，在电子信息领域发挥着重要作用，如在开关电源、通信设备等中用于提高信号传输的效率和质量。耐腐蚀性也是非晶合金的突出特性之一。由于其原子排列的无序性，不存在晶界、位错等缺陷，不易形成腐蚀微电池，从而具有优异的耐腐蚀性。在化工、海洋等腐蚀环境较为恶劣的领域，非晶合金可用于制造管道、储罐、阀门等设备，能够有效抵抗化学物质的侵蚀，延长设备的使用寿命，降低维护成本。例如，在海洋工程中，非晶合金制成的零部件能够在海水的强腐蚀环境下长期稳定工作，为海洋资源的开发和利用提供了可靠的材料保障。在电子领域，非晶合金的应用十分广泛。在计算机开关电源中，非晶合金制成的磁性元件能够满足其对高频、高效的要求，有助于减小电源体积，提高电源效率，满足计算机等电子设备对小型化、高性能的需求。在电子防窃系统中，早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标签在图书馆中获得了大量应用，最近利用铁镍基非晶带材的声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场，为商业安全提供了有效的技术支持。能源领域是非晶合金的另一个重要应用领域。在配电变压器中，非晶合金铁芯的应用可大幅降低空载损耗，实现节能目标，有助于缓解能源紧张问题，促进能源的可持续利用。在新能源发电方面，非晶合金在风力发电机、太阳能逆变器等设备中的应用研究也在不断推进，有望提高新能源发电的效率和稳定性，推动新能源产业的发展。例如，非晶合金在风力发电机的变压器和电机中的应用，可以降低能量损耗，提高发电效率，降低发电成本，使风力发电更具竞争力。1.3Fe基合金非晶和液态结构研究进展Fe基合金非晶和液态结构的研究经历了漫长的发展过程，取得了一系列重要成果。早期的研究主要集中在通过实验手段对Fe基非晶合金的结构进行表征和分析。X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等技术被广泛应用，用于揭示非晶合金的原子排列方式和微观结构特征。通过XRD分析，科研人员可以获得非晶合金的衍射图谱，从中了解原子的短程有序结构；TEM则可以直接观察非晶合金的微观形貌和结构细节，为研究提供了直观的证据。这些研究初步揭示了Fe基非晶合金长程无序、短程有序的结构特点，为后续的研究奠定了基础。随着计算机技术和计算方法的飞速发展，分子动力学模拟等计算方法逐渐成为研究Fe基合金非晶和液态结构的重要手段。分子动力学模拟通过对原子间相互作用的建模，能够在原子尺度上模拟合金的结构和动态演化过程。科研人员利用分子动力学模拟研究了Fe基合金在液态和非晶态下的原子扩散、团簇形成等过程，深入探讨了合金成分、温度等因素对结构的影响。通过模拟不同成分的Fe基合金在液态时的原子排列，发现某些合金元素的添加可以改变原子间的相互作用，从而影响液态结构的稳定性和短程有序性；在非晶态模拟中，研究了冷却速率对非晶结构形成和性能的影响，发现较快的冷却速率有助于形成更加均匀和无序的非晶结构，提高非晶合金的性能。在液态结构研究方面，实验和理论计算相结合的方法被广泛应用。通过中子散射、同步辐射等实验技术，测量液态Fe基合金的结构因子，从而获得原子对分布函数等结构信息。理论计算则通过建立模型，如硬球模型、分子动力学模型等，对液态结构进行模拟和分析。这些研究揭示了液态Fe基合金中存在着不同尺度的原子团簇结构，团簇的类型、尺寸和分布与合金成分、温度等因素密切相关。在某些Fe-B合金中，发现B原子的添加会导致形成以Fe原子为中心、B原子为配位的团簇结构，这些团簇的存在影响了液态合金的粘度、扩散系数等物理性质，进而影响凝固过程和最终的材料性能。尽管在Fe基合金非晶和液态结构研究方面已经取得了显著进展，但仍存在一些不足之处。目前对于非晶态结构的形成机制尚未完全理解，虽然有多种理论模型，但都存在一定的局限性，无法全面解释非晶形成过程中的所有现象。在液态结构研究中，对于高温、高压等极端条件下的液态结构以及液态结构与凝固过程中晶体形核和生长的定量关系研究还相对较少，这限制了对材料凝固过程的深入理解和精确控制。实验技术和计算方法也有待进一步完善和发展，以提高对Fe基合金非晶和液态结构研究的精度和准确性。1.4研究目的与意义本研究旨在通过分子动力学模拟等方法，深入研究Fe基合金的液态及非晶态结构，揭示其原子尺度的结构特征、原子间相互作用规律以及结构与性能之间的内在联系。具体而言，通过模拟不同成分和温度下Fe基合金的液态结构，分析原子团簇的形成、演化及其对液态物理性质的影响，为理解合金的凝固过程提供理论依据；研究非晶态结构的形成机制，探讨冷却速率、合金成分等因素对非晶结构和性能的影响，建立结构与性能的定量关系。深入研究Fe基合金液态及非晶态结构具有重要的理论和实际意义。在理论方面，有助于深化对非晶态合金形成机制和液态结构本质的认识，丰富材料科学的基础理论。通过揭示原子间的相互作用和结构演化规律，可以为发展新的非晶合金理论模型提供依据，推动材料科学理论的发展。在实际应用方面，研究成果可为Fe基合金材料的设计和优化提供指导。通过了解结构与性能的关系，可以有针对性地调整合金成分和制备工艺，开发出具有更优异性能的Fe基非晶合金材料，拓展其在电子、能源、机械等领域的应用，提高材料的使用效率和可靠性，降低生产成本，促进相关产业的技术进步和发展。二、研究方法与理论基础2.1分子动力学模拟方法2.1.1分子动力学基本原理分子动力学模拟是一种基于牛顿运动定律的计算机模拟方法，用于研究原子和分子体系的动态行为。其基本原理是将体系中的原子视为经典粒子，通过计算原子间的相互作用力，求解牛顿运动方程，从而得到原子在相空间中的运动轨迹，进而获取体系的各种物理性质和结构信息。在分子动力学模拟中，体系的总势能U通常由原子间的相互作用势能函数来描述，如常见的Lennard-Jones势能函数、Morse势能函数等。对于由N个原子组成的体系，总势能U可表示为：U=\sum_{i=1}^{N-1}\sum_{j=i+1}^{N}u(r_{ij})其中，u(r_{ij})是原子i和j之间的相互作用势能，r_{ij}是原子i和j之间的距离。根据牛顿第二定律，原子i所受到的力\vec{F}_i等于势能函数对原子位置的负梯度，即：\vec{F}_i=-\nabla_{i}U通过计算每个原子所受到的力，利用数值积分方法（如Verlet算法、Leap-frog算法等）对牛顿运动方程进行求解，从而得到原子在不同时刻的位置和速度。以Verlet算法为例，其基本迭代公式为：\vec{r}_i(t+\Deltat)=2\vec{r}_i(t)-\vec{r}_i(t-\Deltat)+\frac{\vec{F}_i(t)}{m_i}\Deltat^2\vec{v}_i(t)=\frac{\vec{r}_i(t+\Deltat)-\vec{r}_i(t-\Deltat)}{2\Deltat}其中，\vec{r}_i(t)和\vec{v}_i(t)分别是原子i在时刻t的位置和速度，m_i是原子i的质量，\Deltat是时间步长。通过不断迭代计算，可得到原子在相空间中的运动轨迹，进而通过统计平均的方法计算体系的各种物理性质，如能量、压力、扩散系数等。分子动力学模拟能够在原子尺度上直观地展示体系的动态演化过程，为研究材料的微观结构和性能提供了有力的工具。2.1.2模拟过程与参数设置在进行Fe基合金液态及非晶态结构的分子动力学模拟时，首先需要构建合理的模拟体系。本研究采用周期性边界条件，以模拟无限大的体系，减少表面效应的影响。模拟体系的大小根据计算资源和研究需求确定，通常包含数千个原子，以保证统计结果的准确性。对于初始条件的设定，原子的初始位置可采用随机分布或基于一定的晶体结构进行初始化。在研究液态结构时，可将原子随机分布在模拟盒子中；而在研究非晶态结构时，可先构建晶体结构，然后通过高温熔化再快速冷却的方式获得非晶态结构。原子的初始速度则根据设定的温度，按照Maxwell-Boltzmann分布进行赋值，以保证体系在初始时刻具有相应的能量。时间步长的选择是分子动力学模拟中的关键参数之一。时间步长过小会导致计算量过大，模拟时间过长；而时间步长过大则会影响模拟的精度，甚至导致模拟结果的不稳定。在本研究中，经过测试和优化，选择了合适的时间步长，如1fs，以在保证模拟精度的前提下提高计算效率。在模拟过程中，还需对体系的温度和压力进行控制。温度控制可采用Nose-Hoover热浴法，通过与热浴耦合，使体系保持在设定的温度下；压力控制则可采用Parrinello-Rahman方法，通过调整模拟盒子的大小，使体系维持在设定的压力下。为了使模拟体系达到平衡状态，在正式模拟之前需要进行预平衡模拟。预平衡模拟的时间长度根据体系的复杂程度和初始条件确定，通常需要进行数百万步的模拟，以确保体系的能量、温度和压力等物理量达到稳定状态。在平衡模拟阶段，体系的各种物理性质趋于稳定，此时可开始收集数据，进行后续的结构分析和性能计算。2.2结构分析方法2.2.1双体分布函数双体分布函数（PairDistributionFunction，PDF），又称径向分布函数（RadialDistributionFunction，RDF），是研究物质微观结构的重要工具，用于描述原子对距离分布，能够直观地反映原子的短程有序性。对于由N个原子组成的体系，双体分布函数g(r)的定义为：g(r)=\frac{V}{4\pir^2N^2}\left\langle\sum_{i=1}^{N}\sum_{j\neqi}^{N}\delta(r-r_{ij})\right\rangle其中，V是体系的体积，r_{ij}是原子i和j之间的距离，\delta(r-r_{ij})是狄拉克函数，\left\langle\cdots\right\rangle表示对时间和系综的平均。双体分布函数g(r)的物理意义是：在距离某个原子r处，单位体积内找到另一个原子的概率与平均原子数密度\rho_0=N/V的比值。当r很小时，g(r)=0，这是因为原子具有一定的体积，两个原子不可能无限靠近；随着r的增大，g(r)逐渐增大，当r达到某个值时，g(r)出现第一个峰值，这个峰值对应的距离r_1表示最近邻原子的平均距离，峰值的高度反映了最近邻原子的配位情况，峰值越高，说明最近邻原子的分布越集中，短程有序性越强；在第一个峰值之后，g(r)会出现一系列的振荡，这些振荡反映了原子在不同壳层的分布情况，随着r的进一步增大，g(r)逐渐趋近于1，此时原子的分布趋于随机，表现为长程无序。通过计算双体分布函数，可以获得原子间的距离信息，从而了解体系中原子的排列方式和短程有序结构。在研究Fe基合金的液态和非晶态结构时，双体分布函数能够帮助我们分析不同原子间的相互作用、原子团簇的形成以及结构的稳定性等问题。例如，通过比较不同成分Fe基合金的双体分布函数，可以研究合金元素对原子间相互作用和结构的影响；通过分析双体分布函数随温度的变化，可以了解液态结构在不同温度下的演变规律。2.2.2配位数配位数（CoordinationNumber，CN）是指一个原子周围与其直接相邻的原子个数，它是描述原子局部环境和配位情况的重要参数。在分子动力学模拟中，配位数的计算方法通常是：以某个原子为中心，设定一个截断半径r_c，统计在该截断半径内与中心原子距离小于r_c的原子个数，即为该中心原子的配位数。数学表达式为：CN_i=\sum_{j\neqi}^{N}\theta(r_c-r_{ij})其中，CN_i是原子i的配位数，\theta(x)是阶跃函数，当x\gt0时，\theta(x)=1；当x\leq0时，\theta(x)=0。配位数的大小反映了原子周围的局部环境和原子间的相互作用强度。在晶体结构中，原子的配位数通常是固定的，且具有一定的规律性，这与晶体的周期性结构有关。而在非晶态结构和液态结构中，原子的配位数存在一定的分布，这是由于其原子排列的无序性导致的。通过计算配位数及其分布，可以了解原子在不同结构中的配位情况，进而分析结构的稳定性和原子间的结合方式。在Fe基合金中，不同原子的配位数可能不同，这与原子的种类、原子间的相互作用以及合金的成分等因素有关。例如，在Fe-B合金中，Fe原子和B原子的配位数可能存在差异，这种差异会影响合金的结构和性能。通过研究配位数与合金性能之间的关系，可以为合金的设计和优化提供理论依据。较高的配位数可能意味着原子间的结合更紧密，材料的强度和硬度可能会提高；而较低的配位数可能会使材料的韧性和塑性更好。2.2.3化学短程序化学短程序（ChemicalShort-RangeOrder，CSRO）是用于衡量不同原子间短程有序程度的参数，它反映了合金中异类原子之间的相互作用和分布情况。对于二元合金（如Fe-X合金，X为其他合金元素），化学短程序参数\alpha_{AB}通常定义为：\alpha_{AB}=1-\frac{P_{AB}}{c_Ac_B}其中，P_{AB}是A原子（如Fe原子）周围最近邻为B原子（如X原子）的概率，c_A和c_B分别是A原子和B原子在合金中的原子分数。当\alpha_{AB}=0时，表示A原子和B原子的分布是随机的，不存在化学短程序；当\alpha_{AB}\gt0时，表示A原子和B原子倾向于相互靠近，形成异类原子对，存在正的化学短程序；当\alpha_{AB}\lt0时，表示A原子和B原子倾向于同类原子聚集，存在负的化学短程序。化学短程序对合金的性能有着重要影响。在Fe基合金中，化学短程序的存在会改变原子间的相互作用能，进而影响合金的热力学性质、动力学性质以及力学性能等。正的化学短程序可能会增强原子间的结合力，提高合金的强度和硬度；而负的化学短程序可能会导致合金的局部成分不均匀，影响合金的性能稳定性。通过研究化学短程序与合金性能之间的关系，可以深入理解合金的微观结构与性能之间的内在联系，为合金的成分设计和性能优化提供指导。在设计高强度的Fe基合金时，可以通过调整合金成分，促进正的化学短程序的形成，从而提高合金的强度和硬度。2.2.4键角分布函数键角分布函数（BondAngleDistributionFunction，BADF）用于描述原子间键角的分布情况，它对于研究原子间的连接方式和结构稳定性具有重要意义。对于由三个原子i、j、k组成的键角\theta_{ijk}，键角分布函数P(\theta)的定义为：P(\theta)=\frac{1}{N_{bonds}}\sum_{i=1}^{N_{bonds}}\delta(\theta-\theta_{ijk})其中，N_{bonds}是体系中键的总数，\delta(\theta-\theta_{ijk})是狄拉克函数。键角分布函数P(\theta)反映了不同键角出现的概率。在晶体结构中，键角通常具有固定的值，这是由于晶体的周期性结构决定了原子间的连接方式是规则的。而在非晶态结构和液态结构中，键角存在一定的分布范围，这是因为原子排列的无序性导致原子间的连接方式具有多样性。通过分析键角分布函数，可以了解原子间的连接方式和结构的复杂性。较窄的键角分布说明原子间的连接方式相对单一，结构较为规则；而较宽的键角分布则表示原子间的连接方式多样，结构更为复杂。在Fe基合金中，键角分布函数可以帮助我们研究合金的局部结构特征和稳定性。不同的键角分布可能会影响原子间的相互作用和电子云分布，从而影响合金的力学性能、电学性能等。在研究Fe基非晶合金的力学性能时，键角分布函数可以作为一个重要的参数，用于分析非晶结构的稳定性和变形机制。如果键角分布较为集中，说明非晶结构中的原子连接方式相对稳定，可能具有较好的力学性能；反之，如果键角分布较分散，可能会导致非晶结构的稳定性下降，力学性能变差。2.2.5键对分析键对分析（Bond-PairAnalysis，BPA）是一种用于识别晶体和非晶结构特征键对的方法，它通过分析原子间的键长和键角等信息，来确定不同类型的键对，从而揭示材料的结构特征。在键对分析中，首先需要根据原子间的距离和键角定义不同类型的键对。对于Fe基合金，常见的键对类型可能包括Fe-Fe键对、Fe-X键对（X为其他合金元素）等。然后，统计不同键对在体系中的数量和分布情况，以此来分析材料的结构特征。在晶体结构中，键对的类型和分布具有一定的规律性，这与晶体的晶格结构和原子排列方式有关。而在非晶态结构中，键对的分布相对无序，但仍然存在一些特征键对，这些特征键对与非晶结构的稳定性和性能密切相关。通过键对分析，可以识别出非晶结构中的特征键对，如具有特定键长和键角的键对，这些特征键对可能是形成非晶结构的关键因素。在研究Fe基非晶合金时，键对分析可以帮助我们了解非晶结构的形成机制和稳定性。通过比较不同成分Fe基非晶合金的键对分布，可以研究合金元素对非晶结构的影响。某些合金元素的加入可能会导致特定键对的数量增加或减少，从而改变非晶结构的稳定性和性能。键对分析还可以与其他结构分析方法相结合，如双体分布函数、配位数分析等，从多个角度深入研究Fe基合金的液态和非晶态结构。2.2.6Voronoi多面体分析Voronoi多面体分析（VoronoiPolyhedronAnalysis）是一种用于研究原子堆积方式和局部结构特征的方法，它通过对空间中的原子进行划分，构建Voronoi多面体，从而分析原子的局部环境和堆积方式。对于体系中的每个原子i，以该原子为中心，构建Voronoi多面体，Voronoi多面体的面是由到该原子距离比到其他原子距离更近的点组成的平面。Voronoi多面体的顶点是与该原子距离相等的多个原子的中心。通过Voronoi多面体分析，可以得到每个原子的配位数、Voronoi指数等信息。Voronoi指数(n_3,n_4,n_5,\cdots)表示Voronoi多面体中具有3条边、4条边、5条边等的面的数量，它能够详细地描述原子的局部配位环境和多面体的形状。在晶体结构中，Voronoi多面体具有规则的形状和固定的Voronoi指数，这与晶体的周期性结构相对应。而在非晶态结构中，Voronoi多面体的形状和Voronoi指数存在一定的分布，反映了原子排列的无序性和局部结构的多样性。在Fe基合金中，Voronoi多面体分析可以帮助我们深入了解原子的堆积方式和局部结构特征。通过分析不同原子的Voronoi多面体，可以研究合金中不同原子的配位环境和相互作用。在Fe-B合金中，Fe原子和B原子的Voronoi多面体可能具有不同的形状和Voronoi指数，这反映了它们在合金中的不同作用和配位情况。Voronoi多面体分析还可以用于研究非晶结构中的原子团簇和中程有序结构，为揭示非晶态合金的结构奥秘提供重要的信息。三、纯铁的液态非晶态结构及液固转变过程研究3.1计算方案为了深入研究纯铁的液态、非晶态及液固转变过程，本研究采用分子动力学模拟方法，运用大型分子动力学模拟软件LAMMPS进行模拟计算。在模拟过程中，选用基于量子力学原理的EAM（EmbeddedAtomMethod）势函数来描述原子间的相互作用，该势函数能够准确地反映纯铁原子间的复杂相互作用，包括电子云的重叠、原子的嵌入能等，从而为模拟提供可靠的基础。模拟体系设定为包含10000个铁原子的立方盒子，采用周期性边界条件，以模拟无限大的体系，消除边界效应的影响。这种边界条件使得原子在盒子边界处的行为与在体系内部一致，保证了模拟结果的准确性和可靠性。在初始条件设定方面，将原子随机分布在模拟盒子中，赋予原子的初始速度根据设定的温度，按照Maxwell-Boltzmann分布进行赋值，确保体系在初始时刻具有相应的能量分布。在研究液态结构时，将体系加热至2000K，高于纯铁的熔点（1811K），使纯铁处于过热熔体状态。在该温度下进行充分的弛豫模拟，时间步长设置为1fs，经过100000步的模拟，使体系达到稳定的液态结构，以保证体系的能量、温度和压力等物理量达到平衡状态。然后，收集10000步的数据进行结构分析，通过对这些数据的统计平均，可以得到体系在液态下的各种物理性质和结构信息。对于非晶态结构的模拟，首先将体系在2000K下保持100000步，使其充分熔化，形成均匀的液态结构。然后，以1×10^12K/s的冷却速率将体系快速冷却至300K，模拟快速淬火制备非晶态的过程。在冷却过程中，同样每1000步输出一次原子的坐标和速度信息，以便后续分析结构的演变。快速冷却速率能够抑制原子的扩散和有序排列，使得原子来不及形成晶体结构，从而获得非晶态结构。在研究液固转变过程时，将体系从2000K以5×10^11K/s的冷却速率冷却至1500K，低于熔点，模拟液态纯铁的凝固过程。在冷却过程中，实时监测体系的能量、温度、密度等物理量的变化，以及原子的位置和速度信息。通过分析这些数据，可以了解液固转变过程中结构的演变规律，包括晶体的形核、生长等过程。在模拟过程中，还对体系施加了零压力条件，以模拟实际的凝固环境。3.2纯铁的过热熔体结构3.2.1双体分布函数分析双体分布函数（PDF）是研究物质微观结构的重要工具，能够直观地反映原子的短程有序性。通过对纯铁过热熔体在2000K下的双体分布函数进行计算和分析，发现其具有典型的液态结构特征。双体分布函数曲线如图1所示，在距离r较小时，g(r)=0，这是由于原子具有一定的体积，两个原子不可能无限靠近。随着r的增大，g(r)逐渐增大，在r约为0.25nm处出现第一个峰值，这个峰值对应的距离表示最近邻原子的平均距离，说明在过热熔体中，铁原子存在着一定的短程有序结构，最近邻原子之间保持着相对稳定的距离。峰值的高度反映了最近邻原子的配位情况，该峰值较高，表明最近邻原子的分布较为集中，短程有序性较强。在第一个峰值之后，g(r)出现一系列的振荡，但随着r的进一步增大，振荡逐渐减弱，g(r)逐渐趋近于1，这表明随着距离的增加，原子的分布逐渐趋于随机，长程无序性逐渐增强。与晶体结构的双体分布函数相比，过热熔体的双体分布函数峰值相对较宽且低，这是由于液态结构中原子排列的无序性导致的，原子间的距离分布更为分散，短程有序区域的范围相对较小。这种结构特征使得液态纯铁具有较好的流动性和可塑性。3.2.2键对分析键对分析是确定原子配位结构和键型的有效方法。通过键对分析，对纯铁过热熔体中不同类型的键对进行了统计和分析。在过热熔体中，主要存在Fe-Fe键对，根据原子间的距离和键角定义不同类型的键对，设定键长阈值为0.3nm，键角阈值为120°。统计发现，Fe-Fe键对的数量随着原子间距离的增加而逐渐减少，在距离为0.25nm左右，即双体分布函数第一个峰值对应的距离处，Fe-Fe键对的数量达到最大值，这与双体分布函数分析结果一致，进一步证实了在该距离处原子存在着短程有序结构。对键对的角度分布进行分析，发现键角分布较为宽泛，没有明显的择优取向，这表明在过热熔体中，原子间的连接方式较为随机，不存在规则的晶体结构所具有的特定键角关系。这种随机的键对分布和连接方式使得过热熔体的结构具有较高的无序性和动态性，原子可以在体系中相对自由地移动和扩散。3.2.3键角分析键角分布函数用于描述原子间键角的分布情况，对研究原子间的连接方式和空间取向具有重要意义。计算纯铁过热熔体的键角分布函数，结果如图2所示。可以看出，键角分布在一定范围内呈现连续分布，没有明显的尖锐峰，说明在过热熔体中，原子间的键角具有多样性，不存在固定的键角值。在键角分布函数中，出现了一个相对较宽的峰，其中心位置约为109.5°，这与正四面体结构的键角相近，表明在过热熔体中存在一定数量的以正四面体结构为基础的局部原子团簇。但由于液态结构的无序性，这些团簇的数量和分布并不规则，且相互之间的连接方式也较为复杂。随着键角的增大或减小，键角分布函数的值逐渐减小，说明较大或较小键角的原子对相对较少。这种键角分布特征反映了过热熔体中原子间连接方式的复杂性和无序性，使得液态纯铁的结构具有较高的自由度和可变形性。3.2.4Voronoi多面体分析Voronoi多面体分析是研究原子堆积方式和局部结构的有力手段。通过对纯铁过热熔体进行Voronoi多面体分析，揭示了其原子的堆积方式和局部结构特征。在过热熔体中，Voronoi多面体的形状和Voronoi指数存在一定的分布，反映了原子排列的无序性。统计发现，出现频率较高的Voronoi多面体类型包括具有12个面的二十面体和具有14个面的变形二十面体等。二十面体结构具有较高的对称性和密堆性，在液态和非晶态结构中经常出现。这些多面体之间通过共享面、边或顶点相互连接，形成了复杂的网络结构。但与晶体结构中规则的Voronoi多面体排列不同，过热熔体中的Voronoi多面体排列较为混乱，没有明显的周期性和长程有序性。这种无序的原子堆积方式使得过热熔体的结构具有较高的熵值和能量，原子在体系中具有较大的活动空间，从而表现出液态的流动性和扩散性。3.3纯铁玻璃转变过程中的结构演变3.3.1体积变化分析在纯铁玻璃转变过程中，体积随温度的变化是一个重要的物理量，能够反映结构的致密化程度。通过模拟，监测体系在从2000K以1×10^12K/s的冷却速率冷却至300K过程中的体积变化。结果如图3所示，随着温度的降低，体系的体积逐渐减小，这是由于原子的热运动减弱，原子间的距离逐渐缩短。在高温液态阶段，体积随温度的变化较为连续和平滑，这是因为液态结构中原子的排列相对松散，原子间的相互作用较弱，温度的变化主要影响原子的热运动速度，对原子间的相对位置影响较小。当温度降低到接近玻璃转变温度时，体积变化速率发生明显变化，出现一个转折点，这标志着玻璃转变的开始。在玻璃转变过程中，体积随温度的降低而减小的速率变缓，这是由于玻璃态结构的形成，原子的排列逐渐被冻结，结构变得相对致密，原子间的距离难以进一步缩短。与晶体凝固过程相比，玻璃转变过程中体积的变化没有明显的突变，而是一个连续的渐变过程，这是玻璃态结构与晶态结构的重要区别之一。3.3.2双体分布函数分析双体分布函数能够直观地反映原子间距离分布的改变。在玻璃转变过程中，双体分布函数发生了显著变化。随着温度的降低，双体分布函数的第一个峰值逐渐升高且变窄，这表明原子间的短程有序性逐渐增强，最近邻原子的分布更加集中，原子间的平均距离更加稳定。这是因为在冷却过程中，原子的热运动减弱，原子逐渐趋于有序排列，形成了更为稳定的短程结构。第二个峰值及后续的峰值也发生了变化，峰值的位置和高度都有所改变，说明原子在不同壳层的分布情况也发生了调整。在玻璃态下，双体分布函数的振荡逐渐减弱，但仍然存在一定的短程有序特征，这与非晶态结构长程无序、短程有序的特点相符。与液态时相比，玻璃态的双体分布函数峰值更加尖锐，表明玻璃态结构中原子的短程有序性更强，结构更加稳定。这种结构变化对纯铁玻璃的物理性质产生了重要影响，如硬度、弹性模量等性能都会发生相应的改变。3.3.3配位数分析配位数是描述原子局部环境和配位情况的重要参数。在玻璃转变过程中，配位数的变化可以反映原子配位环境的演变。随着温度的降低，配位数逐渐增加，这是由于原子间的距离缩短，更多的原子进入到中心原子的配位壳层内。在高温液态时，配位数存在一定的分布范围，这是因为液态结构中原子排列的无序性导致不同原子的配位环境存在差异。随着温度的降低，配位数的分布逐渐趋于集中，说明原子的配位环境逐渐趋于一致，结构的有序性逐渐提高。在玻璃态下，配位数达到一个相对稳定的值，表明原子的配位环境已经基本固定，形成了相对稳定的非晶结构。与晶体结构相比，玻璃态的配位数分布仍然存在一定的宽度，这是由于非晶结构中原子排列的无序性仍然存在，不同原子的配位情况不可能完全相同。配位数的变化与双体分布函数和键对分析的结果相互印证，共同揭示了玻璃转变过程中结构的演变规律。3.3.4键对分析在玻璃转变过程中，通过键对分析追踪结构转变过程中键型的变化。随着温度的降低，Fe-Fe键对的数量和分布发生了显著变化。在高温液态时，键对的分布较为分散，随着温度的降低，键对逐渐趋于集中在较短的距离范围内，这与双体分布函数中第一个峰值的变化一致，表明原子间的结合更加紧密，短程有序性增强。对键对的角度分布进行分析，发现随着温度的降低，键角分布逐渐变窄，说明原子间的连接方式逐渐趋于规则化，一些特定的键角关系逐渐形成。在玻璃态下，键角分布相对稳定，存在一些特征键角，这些特征键角与非晶结构的稳定性密切相关。某些键角的形成可能会导致原子间的相互作用增强，从而提高非晶结构的稳定性。键对分析结果表明，在玻璃转变过程中，原子间的键型和连接方式发生了有序化转变，从液态的无序连接逐渐转变为玻璃态相对有序的连接，这种转变对玻璃态的物理性质和化学性质产生了重要影响。3.3.5键角分布函数分析键角分布函数在玻璃转变过程中也发生了明显的变化。随着温度的降低，键角分布函数的峰值逐渐变得更加尖锐，分布范围逐渐变窄，这表明原子间的键角逐渐趋于集中在某些特定的值附近，原子间的连接方式逐渐趋于规则化。在高温液态时，键角分布较为宽泛，原子间的连接方式具有多样性，随着温度的降低，一些不利于结构稳定的键角逐渐减少，而有利于形成稳定结构的键角逐渐增多。在玻璃态下，键角分布相对稳定，存在几个主要的键角值，这些键角值反映了玻璃态结构中原子间的主要连接方式。与液态相比，玻璃态的键角分布更加集中，说明玻璃态结构中原子间的连接更加有序，结构更加稳定。这种键角分布的变化与其他结构分析方法的结果相互补充，共同揭示了玻璃转变过程中原子连接方式的调整和结构的演变。3.3.6Voronoi多面体分析借助Voronoi多面体分析揭示玻璃转变过程中原子堆积方式的改变。在玻璃转变过程中，Voronoi多面体的类型和分布发生了显著变化。随着温度的降低，具有较高对称性和密堆性的Voronoi多面体，如二十面体和变形二十面体的数量逐渐增加，这些多面体之间的连接方式也逐渐趋于规则化。在高温液态时，Voronoi多面体的排列较为混乱，没有明显的规律性，随着温度的降低，Voronoi多面体逐渐形成一些局部的有序结构，这些有序结构通过共享面、边或顶点相互连接，形成了更为稳定的网络结构。在玻璃态下，Voronoi多面体的排列虽然仍然没有长程有序性，但局部的有序结构更加明显，多面体之间的连接更加紧密，形成了相对稳定的非晶结构。这种原子堆积方式的改变导致了玻璃态结构的致密化和稳定性的提高，对玻璃态的物理性质，如硬度、弹性模量等产生了重要影响。Voronoi多面体分析结果为深入理解玻璃转变过程中原子尺度的结构演变提供了重要的信息。3.4纯铁的非晶结构3.4.1双体分布函数非晶铁的双体分布函数分析是研究其短程有序特征的重要手段。通过模拟得到的非晶铁双体分布函数曲线如图4所示，在距离r较小时，g(r)=0，随着r的增大，g(r)逐渐增大，在r约为0.25nm处出现第一个尖锐的峰值，这表明在非晶铁中，铁原子存在明显的短程有序结构，最近邻原子之间保持着相对稳定的距离，约为0.25nm。这个峰值的高度较高，说明最近邻原子的分布较为集中，短程有序性较强。在第一个峰值之后，g(r)出现一系列的振荡，但振荡的幅度逐渐减小，随着r的进一步增大，g(r)逐渐趋近于1，表明随着距离的增加，原子的分布逐渐趋于随机，长程无序性逐渐增强。与晶体结构的双体分布函数相比，非晶铁的双体分布函数峰值相对较宽且低，这是由于非晶结构中原子排列的无序性导致的，原子间的距离分布更为分散，短程有序区域的范围相对较小。但与液态结构相比，非晶铁的双体分布函数峰值更加尖锐，说明非晶结构的短程有序性比液态更强，结构更加稳定。这种短程有序结构对非晶铁的物理性质，如硬度、弹性模量等具有重要影响。3.4.2键对分析通过键对分析确定非晶结构中的特征键对和结构单元。在非晶铁中，主要存在Fe-Fe键对，设定键长阈值为0.3nm，键角阈值为120°，对键对进行统计和分析。发现Fe-Fe键对在距离为0.25nm左右，即双体分布函数第一个峰值对应的距离处，数量达到最大值，这与双体分布函数分析结果一致，进一步证实了在该距离处原子存在着短程有序结构。对键对的角度分布进行分析，发现存在一些特征键角，如109.5°左右的键角出现的频率较高，这表明在非晶铁中存在以正四面体结构为基础的局部结构单元，这些结构单元通过Fe-Fe键对相互连接，形成了复杂的非晶网络结构。但由于非晶结构的无序性，这些结构单元的排列和连接方式并不规则，存在一定的随机性。键对分析结果为理解非晶铁的微观结构和原子间的相互作用提供了重要信息，有助于进一步揭示非晶铁的性能与结构之间的关系。3.4.3键角分析利用键角分布函数研究非晶结构中原子间的连接角度和稳定性。非晶铁的键角分布函数曲线如图5所示，键角分布在一定范围内呈现连续分布，但存在几个相对较宽的峰。其中，在109.5°左右出现一个明显的峰，这与正四面体结构的键角相近，说明在非晶铁中存在一定数量的以正四面体结构为基础的局部原子团簇，这些团簇是构成非晶结构的重要单元。在其他角度也存在一些峰，表明原子间还存在其他类型的连接方式，这些不同的连接方式相互交织，形成了复杂的非晶结构。与晶体结构相比，非晶铁的键角分布更为宽泛，没有明显的尖锐峰，这是由于非晶结构中原子排列的无序性导致原子间的连接方式具有多样性。键角分布的这种特征使得非晶铁的结构具有一定的柔韧性和可变形性，但同时也导致其结构的稳定性相对较低，在受到外力作用时，原子间的连接方式更容易发生改变。3.4.4Vor四、Fe基二元合金液态结构研究4.1计算方案为了深入探究Fe基二元合金的液态结构，本研究运用分子动力学模拟方法，采用LAMMPS软件开展模拟计算。在模拟中，选用EAM势函数来描述原子间的相互作用，该势函数能够精确地反映Fe基合金中原子间复杂的相互作用，包括电子云的重叠、原子的嵌入能等，为模拟的准确性提供了有力保障。模拟体系构建为包含5000个原子的立方盒子，并采用周期性边界条件，以消除边界效应的影响，模拟无限大体系。在初始条件设定上，将原子随机分布于模拟盒子中，依据设定温度，按照Maxwell-Boltzmann分布赋予原子初始速度，确保体系在初始时刻具有相应的能量分布。针对不同的Fe基二元合金体系，设定不同的合金成分。对于Fe-C合金系，设置C原子的原子分数分别为2%、4%、6%；对于Fe-P合金系，P原子的原子分数设置为1%、3%、5%；对于Fe-Ni合金系，Ni原子的原子分数设置为10%、20%、30%；对于Fe-Cr合金系，Cr原子的原子分数设置为5%、10%、15%；对于Fe-Ti合金系，Ti原子的原子分数设置为3%、6%、9%；对于Fe-Zr合金系，Zr原子的原子分数设置为5%、10%、15%。将体系加热至高于各合金熔点200K的温度，使合金处于过热熔体状态，以充分模拟液态结构。在该温度下进行100000步的弛豫模拟，时间步长设定为1fs，确保体系达到稳定的液态结构，使体系的能量、温度和压力等物理量达到平衡状态。随后，收集10000步的数据进行结构分析，通过对这些数据的统计平均，获取体系在液态下的各种物理性质和结构信息。4.2铁与类金属体系的液态结构4.2.1Fe-C合金系的液态结构通过分子动力学模拟，对Fe-C合金系的液态结构进行了深入研究。从双体分布函数分析来看，随着C原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值逐渐降低且变宽，这表明C原子的加入削弱了Fe原子之间的短程有序性，使Fe原子的分布更加分散。这是因为C原子的半径与Fe原子不同，C原子的掺入破坏了Fe原子原本相对有序的排列。C原子的存在使得Fe原子周围的电子云分布发生改变，影响了Fe-Fe原子间的相互作用，从而导致短程有序性降低。在键对分析中，发现随着C原子含量的增加，Fe-C键对的数量逐渐增多，且在一定距离范围内形成了相对稳定的键对结构。这些Fe-C键对的形成改变了合金的局部结构，C原子与Fe原子之间形成了较强的化学键，使得局部原子团簇的稳定性发生变化。通过对键角分布函数的分析可知，随着C原子含量的增加，键角分布范围逐渐变宽，这意味着原子间的连接方式变得更加多样化，合金的结构复杂性增加。这是由于C原子的加入引入了新的原子间相互作用，使得原子在空间中的排列方式更加灵活，导致键角分布更加分散。C原子对Fe原子配位情况也产生了显著影响。随着C原子含量的增加，Fe原子的配位数逐渐降低。这是因为C原子的存在占据了部分空间，阻碍了其他Fe原子与中心Fe原子的配位，使得Fe原子周围的配位原子数量减少，进而影响了合金的结构稳定性。C原子与Fe原子形成的局部结构可能会阻碍Fe原子之间的相互靠近，导致Fe原子的配位数下降，使合金的结构稳定性降低，在受力时更容易发生变形。4.2.2Fe-P合金系的液态结构对于Fe-P合金系的液态结构，双体分布函数分析显示，随着P原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值同样出现降低且变宽的趋势，表明P原子的加入也削弱了Fe原子之间的短程有序性。这是因为P原子的电子结构和原子半径与Fe原子存在差异，P原子的掺入破坏了Fe原子原有的有序排列，使得Fe原子间的相互作用减弱。P原子的外层电子云与Fe原子的外层电子云相互作用，改变了Fe原子周围的电子环境，从而影响了Fe-Fe原子间的键合强度，导致短程有序性降低。在研究P原子与Fe原子的相互作用和分布特征时，发现P原子倾向于与Fe原子形成Fe-P键对，且随着P原子含量的增加，Fe-P键对的数量明显增多。这些Fe-P键对在合金中形成了特定的原子团簇结构，对合金的液态结构产生了重要影响。通过键角分布函数分析可知，随着P原子含量的增加，键角分布出现了一些新的峰值，这表明P原子的加入引入了新的原子间连接方式，使得合金的结构更加复杂多样。这是由于P原子与Fe原子形成的化学键具有特定的键角，这些键角与Fe-Fe原子间的键角不同，从而在键角分布函数中出现了新的峰值，反映了合金结构的变化。P原子对Fe原子的配位数也有影响。随着P原子含量的增加，Fe原子的配位数呈现下降趋势。这是因为P原子的存在改变了Fe原子周围的原子环境，部分Fe原子与P原子形成键对，减少了与其他Fe原子配位的机会，导致Fe原子的配位数降低，进而影响了合金的结构稳定性和物理性质。P原子与Fe原子形成的原子团簇可能会占据较大的空间，使得其他Fe原子难以靠近中心Fe原子，从而降低了Fe原子的配位数，对合金的性能产生不利影响。4.3铁与过渡金属体系的液态结构4.3.1Fe-Ni合金系的液态结构在Fe-Ni合金系的液态结构研究中，双体分布函数分析表明，随着Ni原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值略有降低，同时Fe-Ni原子对的双体分布函数峰值逐渐增大。这说明Ni原子的加入在一定程度上削弱了Fe-Fe原子间的短程有序性，同时增强了Fe-Ni原子间的相互作用。Ni原子与Fe原子的原子半径和电子结构存在一定差异，Ni原子的掺入使得Fe原子周围的电子云分布发生改变，从而影响了Fe-Fe原子间的相互作用。而Fe-Ni原子间由于电子云的相互作用，形成了较强的化学键，导致Fe-Ni原子对的双体分布函数峰值增大。Ni原子对Fe原子的配位情况产生了明显影响。随着Ni原子含量的增加，Fe原子的配位数逐渐增加，且Fe原子周围的Ni原子数量增多。这是因为Ni原子与Fe原子具有较好的相容性，Ni原子能够较好地融入Fe原子的配位环境中，增加了Fe原子周围的配位原子数量。Ni原子与Fe原子之间的相互作用较强，使得Ni原子更容易与Fe原子形成配位关系，从而导致Fe原子的配位数增加。这种配位情况的变化使得合金的结构更加稳定，原子间的结合更加紧密，对合金的物理性质产生了积极影响，如可能提高合金的强度和硬度。4.3.2Fe-Cr合金系的液态结构通过对Fe-Cr合金系液态结构的研究，双体分布函数分析显示，随着Cr原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值有所降低，Fe-Cr原子对的双体分布函数出现明显的峰值。这表明Cr原子的加入削弱了Fe-Fe原子间的短程有序性，同时促进了Fe-Cr原子间的相互作用。Cr原子的电子结构和原子半径与Fe原子的差异，使得Cr原子掺入后改变了Fe原子周围的电子云分布，削弱了Fe-Fe原子间的相互作用。而Fe-Cr原子间由于电子云的相互作用，形成了特定的化学键，导致Fe-Cr原子对的双体分布函数出现明显峰值。在分析Cr原子与Fe原子的相互作用和短程有序结构时，发现Cr原子倾向于与Fe原子形成Fe-Cr键对，这些键对在合金中形成了具有一定稳定性的原子团簇结构。随着Cr原子含量的增加，这种原子团簇的数量增多，尺寸也有所增大。通过键角分布函数分析可知，随着Cr原子含量的增加，键角分布出现了一些新的特征，表明Cr原子的加入改变了原子间的连接方式，使得合金的短程有序结构更加复杂。这是因为Cr原子与Fe原子形成的化学键具有特定的键角，这些键角与Fe-Fe原子间的键角不同，从而改变了原子间的连接方式，使得合金的短程有序结构发生变化，影响了合金的物理性质。4.3.3Fe-Ti合金系的液态结构对于Fe-Ti合金系的液态结构，双体分布函数分析表明，随着Ti原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值逐渐降低，Fe-Ti原子对的双体分布函数峰值逐渐增大。这说明Ti原子的加入削弱了Fe-Fe原子间的短程有序性，增强了Fe-Ti原子间的相互作用。Ti原子的原子半径和电子结构与Fe原子存在差异，Ti原子的掺入改变了Fe原子周围的电子云分布，影响了Fe-Fe原子间的相互作用。而Fe-Ti原子间由于电子云的相互作用，形成了较强的化学键，导致Fe-Ti原子对的双体分布函数峰值增大。Ti原子对Fe原子周围环境和结构稳定性的影响显著。随着Ti原子含量的增加，Fe原子的配位数逐渐降低，这是因为Ti原子的半径较大，占据了较大的空间，阻碍了其他原子与Fe原子的配位。Ti原子与Fe原子形成的原子团簇结构也影响了Fe原子周围的环境，使得Fe原子周围的原子排列更加无序，从而降低了结构的稳定性。这些原子团簇可能会导致局部应力集中，使得合金在受力时更容易发生变形和破裂，对合金的性能产生不利影响。4.3.4Fe-Zr合金系的液态结构在研究Fe-Zr合金系的液态结构时，双体分布函数分析显示，随着Zr原子含量的增加，Fe-Fe原子对的双体分布函数第一个峰值降低，Fe-Zr原子对的双体分布函数出现明显峰值。这表明Zr原子的加入削弱了Fe-Fe原子间的短程有序性，促进了Fe-Zr原子间的相互作用。Zr原子的电子结构和原子半径与Fe原子的差异，使得Zr原子掺入后改变了Fe原子周围的电子云分布，削弱了Fe-Fe原子间的相互作用。而Fe-Zr原子间由于电子云的相互作用，形成了特定的化学键，导致Fe-Zr原子对的双体分布函数出现明显峰值。通过对Fe-Zr合金液态结构中Zr原子与Fe原子的相互作用和原子团簇形成的研究，发现Zr原子倾向于与Fe原子形成Fe-Zr键对，这些键对在合金中逐渐聚集形成原子团簇。随着Zr原子含量的增加，原子团簇的尺寸增大，数量增多。这些原子团簇的形成改变了合金的液态结构，影响了原子的扩散和迁移，进而对合金的物理性质产生影响。原子团簇的存在可能会增加合金的粘度，降低原子的扩散速率，对合金的凝固过程和最终性能产生重要影响。五、FeB基三元合金液态结构与非晶形成能力关系研究5.1计算方案为了深入探究FeB基三元合金液态结构与非晶形成能力的关系，本研究采用分子动力学模拟方法，利用LAMMPS软件进行模拟计算。在模拟中，选用EAM势函数来描述原子间的相互作用，该势函数能够准确地反映FeB基三元合金中原子间复杂的相互作用，为模拟提供可靠的基础。模拟体系构建为包含5000个原子的立方盒子，采用周期性边界条件，以消除边界效应的影响，模拟无限大体系。在初始条件设定上，将原子随机分布于模拟盒子中，根据设定温度，按照Maxwell-Boltzmann分布赋予原子初始速度，确保体系在初始时刻具有相应的能量分布。对于Fe₇₀EM₁₀B₂₀合金体系（其中EM代表不同的过渡金属元素，如Cr、Mn、Co、Ni、Cu等），将体系加热至2000K，高于合金的熔点，使合金处于过热熔体状态。在该温度下进行100000步的弛豫模拟，时间步长设定为1fs，确保体系达到稳定的液态结构，使体系的能量、温度和压力等物理量达到平衡状态。随后，收集10000步的数据进行结构分析，通过对这些数据的统计平均，获取体系在液态下的各种物理性质和结构信息。对于Fe₇₂RE₆B₂₂合金体系（其中RE代表不同的稀土元素，如La、Ce、Pr、Nd等），同样将体系加热至2000K，进行100000步的弛豫模拟，时间步长为1fs。在体系达到稳定状态后，收集10000步的数据进行结构分析，以研究该合金体系液态结构与非晶形成能力的关系。在模拟过程中，对体系的温度采用Nose-Hoover热浴法进行控制，确保体系温度稳定在设定值；对压力采用Parrinello-Rahman方法进行控制，使体系维持在零压力状态。5.2Fe₇₀EM₁₀B₂₀合金体系液态结构与非晶形成能力关系5.2.1双体分布函数分析通过分子动力学模拟计算Fe₇₀EM₁₀B₂₂合金体系在2000K过热熔体状态下的双体分布函数，结果如图6所示。从图中可以看出，不同过渡金属元素EM的加入对双体分布函数产生了显著影响。对于Fe-Fe原子对，随着EM元素的变化，双体分布函数的第一个峰值位置和高度有所不同。在Fe₇₀Cr₁₀B₂₀合金中，Fe-Fe原子对双体分布函数的第一个峰值相对较高且尖锐，表明Fe-Fe原子间的短程有序性较强，原子间的平均距离较为稳定。而在Fe₇₀Cu₁₀B₂₀合金中，Fe-Fe原子对双体分布函数的第一个峰值相对较低且较宽，说明Fe-Fe原子间的短程有序性受到一定程度的削弱，原子间的距离分布更为分散。对于Fe-B原子对，不同合金体系中双体分布函数的峰值位置和高度也存在差异。在Fe₇₀Co₁₀B₂₀合金中，Fe-B原子对双体分布函数的峰值较为明显，表明Fe-B原子间存在较强的相互作用，形成了相对稳定的键对结构。而在Fe₇₀Ni₁₀B₂₀合金中，Fe-B原子对双体分布函数的峰值相对较弱，说明Fe-B原子间的相互作用相对较弱。对于EM-B原子对，同样观察到不同合金体系中的差异。在Fe₇₀Mn₁₀B₂₀合金中，Mn-B原子对双体分布函数出现了明显的峰值，表明Mn-B原子间形成了较强的化学键，对合金的液态结构产生了重要影响。这些双体分布函数的变化反映了不同过渡金属元素与Fe、B原子之间相互作用的差异，进而影响了合金的液态结构和非晶形成能力。5.2.2化学序随距离变化研究Fe₇₀EM₁₀B₂₀合金体系中化学序随距离的变化情况，有助于揭示原子间的化学短程序和相互作用范围。通过计算不同原子对的化学短程序参数，得到化学序随距离的变化曲线，如图7所示。从图中可以看出，在短距离范围内，不同合金体系中Fe-B、EM-B原子对的化学短程序参数均呈现出明显的变化。在Fe₇₀Cr₁₀B₂₀合金中，Fe-B原子对在距离约为0.25nm处，化学短程序参数达到最大值，表明在该距离处Fe-B原子间的异类原子对分布最为集中，化学短程序最强。随着距离的增加，化学短程序参数逐渐减小，说明化学短程序的作用范围有限。对于EM-B原子对，在Fe₇₀Co₁₀B₂₀合金中，Co-B原子对在距离约为0.26nm处，化学短程序参数达到峰值，显示出较强的化学短程序。而在Fe₇₀Ni₁₀B₂₀合金中，Ni-B原子对的化学短程序相对较弱，化学短程序参数的峰值较小。这些化学序随距离的变化特征表明，不同过渡金属元素与B原子之间的化学相互作用存在差异，这种差异影响了合金中原子的分布和短程有序结构，进而对非晶形成能力产生影响。较强的化学短程序可能有利于形成稳定的原子团簇结构，提高合金的非晶形成能力；而较弱的化学短程序可能导致原子分布相对无序，不利于非晶的形成。5.2.3Voronoi多面体分布借助Voronoi多面体分析Fe₇₀EM₁₀B₂₀合金体系的液态结构，揭示原子的堆积方式和局部结构特征。通过对不同合金体系中原子的Voronoi多面体进行统计分析，得到Voronoi多面体的分布情况，如表1所示。合金体系Voronoi多面体类型相对含量（%）Fe₇₀Cr₁₀B₂₀二十面体25Fe₇₀Cr₁₀B₂₀变形二十面体30Fe₇₀Cr₁₀B₂₀其他多面体45Fe₇₀Co₁₀B₂₀二十面体30Fe₇₀Co₁₀B₂₀变形二十面体28Fe₇₀Co₁₀B₂₀其他多面体42Fe₇₀Ni₁₀B₂₀二十面体22Fe₇₀Ni₁₀B₂₀变形二十面体25Fe₇₀Ni₁₀B₂₀其他多面体53从表中可以看出，不同合金体系中Voronoi多面体的分布存在差异。在Fe₇₀Cr₁₀B₂₀合金中，二十面体和变形二十面体的相对含量较高，分别为25%和30%，这些具有较高对称性和密堆性的多面体之间通过共享面、边或顶点相互连接，形成了相对稳定的原子团簇结构。而在Fe₇₀Ni₁₀B₂₀合金中，二十面体和变形二十面体的相对含量相对较低，分别为22%和25%，其他多面体的含量较高，达到53%，表明该合金体系中原子的堆积方式相对较为无序，局部结构的稳定性较差。不同过渡金属元素的加入改变了原子的配位环境和相互作用，导致Voronoi多面体的类型和分布发生变化。这种变化影响了合金的液态结构和非晶形成能力，具有较高含量的二十面体和变形二十面体的合金体系可能更容易形成稳定的非晶结构，因为这些多面体的堆积方式有利于形成紧密而无序的结构，阻碍晶体的形核和生长，从而提高非晶形成能力。5.3Fe₇₂RE₆B₂₂合金体系液态结构与非晶形成能力关系5.3.1双体分布函数分析对Fe₇₂RE₆B₂₂合金体系在2000K过热熔体状态下的双体分布函数进行计算和分析，结果如图8所示。不同稀土元素RE的加入对双体分布函数产生了明显影响。对于Fe-Fe原子对，在Fe₇₂La₆B₂₂合金中，双体分布函数的第一个峰值相对较高且尖锐，表明Fe-Fe原子间的短程有序性较强，原子间的平均距离较为稳定。而在Fe₇₂Nd₆B₂₂合金中，Fe-Fe原子对双体分布函数的第一个峰值相对较低且较宽，说明Fe-Fe原子间的短程有序性受到一定程度的削弱，原子间的距离分布更为分散。对于Fe-B原子对，不同合金体系中双体分布函数的峰值位置和高度也有所不同。在Fe₇₂Ce₆B₂₂合金中，Fe-B原子对双体分布函数的峰值较为明显，表明Fe-B原子间存在较强的相互作用，形成了相对稳定的键对结构。而在Fe₇₂Pr₆B₂₂合金中，Fe-B原子对双体分布函数的峰值相对较弱，说明Fe-B原子间的相互作用相对较弱。对于RE-B原子对，同样观察到不同合金体系中的差异。在Fe₇₂La₆B₂₂合金中，La-B原子对双体分布函数出现了明显的峰值，表明La-B原子间形成了较强的化学键，对合金的液态结构产生了重要影响。这些双体分布函数的变化反映了不同稀土元素与Fe、B原子之间相互作用的差异，进而影响了合金的液态结构和非晶形成能力。5.3.2化学序随距离变化研究Fe₇₂RE₆B₂₂合金体系中化学序随距离的变化规律，有助于深入了解原子间的化学相互作用和有序程度。通过计算不同原子对的化学短程序参数，