非晶态合金原子结构及结晶动力学（Word+PDF+ePub+PPT）

本书通过数据统计、原位同步辐射实验、径向分布函数分析，以及反蒙特卡罗法等实验和模拟技术，对非晶合金的局域结构特征和原子堆垛机制进行了系统的研究，提出了关于原子在短程和中程上的结构特征和堆垛机制的全新理论；并对纳米晶化过程中合金的原子结构演变和结晶动力学特征进行了深入分析，为研究合金的局域结构和结晶动力学特征提供了全新的分析手段。本书的主要工作和创新性主要包括以下几个方面。

（1）通过数据统计的方法，分析了非晶合金在局域结构上的原子堆垛特征，即短程和中程上的原子分布规律，发现非晶结构中，原子堆垛呈壳层状分布，各配位原子层与中心原子之间的相对配位距离一定，具有固定的数值：1、3、4、7、12……这种原子分布规律代表了非晶合金结构上的一个普遍特征，不受非晶合金组元种类、原子尺寸以及组元之间的化学作用等因素影响。

（2）非晶结构中原子配位层的相对位置分布符合球周期理论；与晶体结构的三维平移对称不同，非晶合金的结构特征为叠加的球周期对称；而类晶体短程序的存在则导致了4R1原子配层的存在，从而造成了径向分布函数（PDF）第二峰的劈裂；非晶合金的中程序（MRO）表现为二维原子面结构，其中原子是密堆的；这种二维MRO的存在有利于提高非晶合金的稳定性。

（3）通过同步辐射实验和径向分布函数方法分析了Zr基非晶合金的局域结构特征，并采用反蒙特卡罗法获得合金的三维原子构型，利用键对分析、键取向分析和Voronoi多面体分析等方法研究了合金结构的原子分布和堆垛情况，及其对非晶形成能力（GFA）的影响。ZrCu和ZrCuAl非晶合金原子结构特点是具有两种不同的短程序（SRO）。键对主要由ico键对构成，原子堆垛密度较高；SRO多面体结构以bcc化合物多面体含量最高，bcc多面体结构中也存在着大量的二十面体（ico）键对，这一结构引起了bcc多面体结构的畸变；其次为ico多面体，ico多面体具有五次对称的原子拓扑堆垛结构，与化合物晶体的四次或六次对称是不相容的，另外五次对称的ico多面体也很难生成长程周期系排列的二十面体相，因此这种短程有序结构的存在阻碍了长程晶相的生成。在ZrCu和ZrCuAl非晶合金中，拓扑SRO多面体和化合物晶相SRO的含量比值（ico/bcc）与GFA相关联，两类合金成分的Zr和Cu的含量有利于形成bcc SRO，在结构中含量较大。拓扑ico SRO与原子尺度比密切相关，容易生成以Al为中心的ico SRO结构。在这两类合金中的ico/bcc都较小（02～025）。在ZrCu合金中，随着Cu含量降低，系统中bcc含量减小，导致ico/bcc值增加，从而提高了GFA。而在ZrCuAl合金中，则当适量Al（50%～80%）替代Zr时，系统中的bcc多面体含量减小，提高了ico/bcc值和合金的GFA。总之，适当的ico/bcc比值可能是一个提高合金GFA的重要因素，它还与合金成分有关。Zr48Cu36Al8Ag8非晶合金中，Ag的添加促进了ico多面体结构的形成，与ZrCuAl合金相比，Ag原子的加入降低了Al原子周围的bcc多面体团簇的含量，而提高了ico多面体团簇的含量，增加了系统的混乱度；同时，这种五次对称的二十面体团簇结构与化合物晶体结构不相容，相互之间难以转化，能够有效阻碍晶体相的形成，提高了合金的GFA。

（4）通过原位同步辐射技术和径向分布函数分析方法研究了非晶合金在等温退火过程中的局域结构演变和结晶动力学特征。这是一种全新的结晶动力学分析方法，采用此种方法可以同时得到合金局域结构在晶化过程中的演变过程，在国际上属首次报道。非晶合金的纳米晶化过程分为三部分：①界面控制的一维形核过程，此过程中，最近邻原子配位数（CN）值有少量变化，但对PDF和结构因子影响不大；②析出相长大过程，此阶段，原子CN值、PDF形状和结构因子都有明显变化，而在晶化后期，CN值趋向饱和，PDF和结构因子已经没有明显变化；③长大后期阶段，CN值仍发生了少量变化，可能与亚稳相转化和其他晶界区的变化相关。

本书得到了国家“九七三”重点基础研究发展规划项目基金（2011CB605500）的资助，以及国家自然科学基金（51101093、51171015、U1204508、51301019、51272140）和高等学校学科创新引智计划（B07003）的部分资助。北京科技大学林均品教授和山东建筑大学的刘科高教授认真审阅了本书，并提出了许多宝贵意见。

著者　 2014年12月