非晶合金的微观结构研究

孙亚娟　翟延慧

摘 要 非晶合金具有短程有序长程无序的复杂性，目前对非晶合金结构的测定及描述还有很大的局限性，非晶合金的微观结构研究对深入理解非晶态材料的基本特性以及提高材料的性能具有重要的意义。

关键词 非晶合金 微观结构 短程有序

中图分类号：TG139 文献标识码：A

众所周知，晶态合金为长程周期性规则的有序结构，如果确定了晶体结构类型和晶格常数，便可用有限的参量精确地给出原子的微观结构。但对于非晶态而言，由于其不具有长程有序的结构性质，因此不能用晶体结构的方法确定非晶的微观结构。由于非晶合金结构的复杂性，目前对非晶合金结构的测定及描述还有很大的局限性，现有的测定手段还难以精确地测量非晶合金中原子的三维排列情况。非晶合金的微观结构研究对深入理解非晶态材料的基本特性以及提高材料的性能具有重要的意义。

人们至今仍未完全清楚地认识非晶合金的结构，提出了多种非晶合金的结构模型。早在1959年，Bernal就提出了硬球无规密堆模型，该模型把非晶态看作是一些均匀连续、致密填充和混乱无规硬球的集合。利用硬球密堆模型对简单液体的原子结构做了系统的研究。不仅借助了几千个钢珠的实际统计，而且还利用了计算机的模拟（只用了最简单的硬球模型势）。结果表明，在这种单原子的简单液体中，无规的原子结构可以看作是五种多面体组成，从而使结构不会出现长程序，这是非晶态所特有的结构单元。Turnbull将该硬球密堆模型用来研究非晶合金的结构。研究发现，在一些简单二元非晶合金体系中，它们模拟的径向分布函数曲线与实验曲线符合的非常好。随着多元块体非晶的出现，这个模型遇到了极大的挑战。

但各国的研究者应用各种测试方法与理论模拟正在不断地获取非晶合金的结构信息。X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨电镜（HRTEM）、小角散射（SAXS）、X射线吸收精细结构（XAFS）等测试手段，以及各种理论计算，如分子动力学（MD）和反蒙特卡罗模拟（RMC），第一原理计算等在非晶合金的结构研究中起到了重要的作用。近年来，同步辐射高能XRD（HRXRD）的发展，使得实验的测试精度大大提高，可以更深入研究非晶合金的结构信息。随着科技的发展，人们可以采用更多更新的研究方法深入研究非晶合金的结构信息。

Suzuki等利用中子衍射实验研究，发现了非晶合金中的化学短程序，在此基础上，把金属间化合物复杂的原子排列结构引入到非晶的结构中。Egami在团簇稳定性的基础上，提出原子半径和非晶合金溶质浓度的关系，并对非晶合金的玻璃形成能力做了大量的阐述。利用团簇的形成，来解释非晶合金的玻璃转变。这种观点认为，在过冷熔体中，各种原子都可以形成以各自为中心的短程有序团簇。这些团簇的形成，使过冷熔体首先在纳米尺度范围内发生玻璃转变，而当这些团簇的数量达到一定程度时，整个熔体就实现了玻璃转变。这种模型唯象地给出玻璃转变的图像，还需进一步的实验验证。

Miracle提出，按照晶格排列的方法将原子团簇作为一个整体放置到晶格的格点上，间隙原子位置上排列其它组元。首先把块体非晶合金中的原子，根据原子半径大小，分为不同的种类，按照团簇构造原则形成团簇；然后将这些团簇再通过类似于面心立方（fcc）或密排六方（hcp）的结构进行排列。这种团簇排列引入了溶质有序化，这种有序超出了最近邻的范围。团簇之间存在共用原子，这些共用原子均是溶剂原子，团簇之间可以通过公共的点、边和面连接起来的。从原子密排的角度看，共面可达到较高的密度，但由于内部应变的需要，使得团簇间形成共线和共点。

Shen等通过从头算分子动力学与反蒙特卡罗法模拟了Ni-P和Zr-Pt等非晶合金的结构，发现其原子结构中除了短程有序结构外，还存在中程有序结构。在这些合金中，溶质和溶剂原子首先形成短程有序的团簇，之后这些团簇通过公共的点、边和面相互连接和嵌套起来，形成一个大的中程有序团簇。当这些合金中的溶质原子逐渐增多时，溶质原子就会形成链，而溶剂原子就会像一个笼一样罩在外面。如果溶质原子和溶剂原子的数目相当，那么就会形成一个复杂的网状结构。模拟的结果与高能X射线的实验结果吻合的很好。该研究更清晰地给人们展示了非晶合金结构的中程有序结构。

综上所述，非晶合金形成的过程中，短程有序团簇以及中程有序的形成，是一个非常重要的环节。这种团簇的形成将大大提高非晶合金的玻璃形成能力。因此，非晶合金结构的研究对于解释非晶合金玻璃形成能力的物理本质具有非常重要的作用。

基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划（13JCQNJC02900）。

参考文献

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