Cu50Zr50合金在TA附近的结构变化*

杨伟钰

(哈尔滨师范大学)

0 引言

探索温度和金属玻璃结构之间的关系是材料科学和物理学中一个富有挑战性但又有趣的课题[1].当液体从熔点Tm以上的高温淬火到玻璃化转变温度Tg时，它逐渐变得粘稠，动力学发生显著变化.在这个过程中，出现了一些有趣的动力学现象，如Stokes-Einstein(SE)关系的破裂以及Arrhenius到非Arrhenius 转变[2-3].通过对不同类型玻璃形成液体的研究发现，液体的弛豫时间(或粘度)随温度的演变在高温区符合Arrhenius关系，随着温度降低变为非Arrhenius关系，由Arrhenius关系转变为非Arrhenius关系的温度一般称为TA[4-5].对于TA附近的结构变化，Ryan Soklaski等学者发现了在过冷液体中存在局部优先结构，当温度达到TA时，原子开始从孤立的二十面体形成连接的二十面体团簇[6-7]. Y.C.Hu等发现了液体中的动力学转变现象与淬火过程中结构相关长度的增长密切相关[8].

Cu50Zr50在所有二元合金中表现出较高的玻璃形成能力(GFA)，这使得它成为实验和模拟研究玻璃形成机理和塑性变形的良好候选材料[9-10].在该文中，通过分子动力学模拟的方法分析了金属玻璃形成液体Cu50Zr50在淬火过程中的局部结构变化和TA之间的关系.

1 实验材料及方法

2 实验结果及分析

通过对Cu50Zr50合金的动力学粘度计算可以得到它的交叉温度1197 K.图1描述的是二十面体团簇中包含的原子数量和二十面体团簇数量随着温度变化的过程.图1(a)显示在Cu50Zr50的淬火过程中，二十面体的原子数量逐渐增多.从图中可以看出，二十面体中原子数量的增长可分为2个阶段，在温度从1600 K降至1200 K时，二十面体中原子数量增长较为缓慢，而当温度低于1200 K时，开始迅速增长，这个温度正是在其交叉温度TA附近.这说明在TA附近二十面体团簇中的原子数量开始大量的增长.图1(b)描述了二十面体团簇的生长情况.当温度处于1600～1100 K，二十面体团簇的数量在不断增加，这表明体系中大量二十面体团簇中的原子开始连接；温度降至1100 K后，二十面体团簇的数量开始逐渐减小.这表明，在TA附近，二十面体团簇逐渐开始连接，形成了更大的二十面体团簇，从而导致它的数量减少.

图1 (a)Cu50Zr50中的二十面体的原子数量随着温度的变化.(b)Cu50Zr50中二十面体团簇数量随温度的变化

图2描述了Cu50Zr50从1600 K降温到200 K的过程中，二十面体的连接方式.二十面体是以点共享(共享1个原子，在图2中标识为common atom1)、边共享(共享2个原子，在图2中标识为common atom2)、面共享(共享3个原子，在图2中标识为common atom3)、交叉共享(共享5个原子，在图2中标识为common atom5)的方式相互连接.从图中可以看出，淬火过程中，相互连接的二十面体团簇数量呈上升趋势，并且大部分以交叉共享和面共享为主.二十面体之间的相互连接使体系从短程有序不断的向中程有序发展，二十面体的交叉共享会形成Bergman中程序[13].

图2 二十面体团簇连接方式随温度变化

图3显示了Cu50Zr50从1600 K冷却到200 K时Bergman团簇包含的原子数量和团簇数量的变化情况.在图3(a)中随着温度的降低，Bergman团簇中的原子数量呈增加趋势.Bergman团簇中的原子数量增长分为2个阶段，在温度1600～1200 K之间缓慢上升，而当温度继续从1200 K降低至200 K时迅速增加.这个温度刚好在TA附近.在图3(b)中，Bergman团簇数量在温度从1600 K降低至1100 K的过程中呈增加趋势，且在1200～1100 K时增加的非常快，这恰好在TA附近.而当温度继续降低时，Bergman团簇数量呈下降趋势，这是Bergman团簇相互连接所致.Bergman团簇相互聚集成一个骨架网络结构，这可能是导致Cu50Zr50体系形成玻璃的关键因素，因为它减缓了金属玻璃形成液体中的动力学转变过程.

图3 (a)Cu50Zr50中的Bergman团簇中的原子数量随着温度的变化.(b)Cu50Zr50中Bergman团簇数量随温度的变化.

3 结论

该文中，分析了Cu50Zr50金属玻璃短程序、中程序和TA之间的关系.发现二十面体团簇和Bergman团簇中的原子数目在TA附近迅速增加，二十面体团簇和Bergman团簇在TA附近相互连接，并且表现出很强的空间相关性.二十面体团簇和Bergman团簇聚集成的网络可能是减缓系统动力学的关键.这一发现为进一步研究金属玻璃的结构和动力学转变温度之间的关系提供了一些基础，更有助于理解金属玻璃的结构.