基于非晶合金有序化原子团簇的晶核形成机制及结晶动力学研究

非晶合金的纳米晶化是得到纳米结构材料的一种很有前途的工艺方法。研究结晶过程中的局域结构演变及原子迁移扩散行为对优化工艺设计和改善合金性能具有直接的指导意义。本项目采用原位同步辐射技术、第一性原理分子动力学模拟以及逆蒙特卡罗模拟相结合的方法，研究纳米晶化过程中各有序化团簇的分布和原子堆垛特征，通过对比分析结晶前后有序化原子团簇的结构参数演变，揭示合金结构的无序―有序化转变规律和晶核形成机制；利用高分辨透射电镜、原子力探针和高能X射线衍射等技术，结合数值模拟的方法，探讨非晶合金纳米晶化过程中的结晶动力学和原子迁移扩散过程。项目的开展将会促进对非晶原子有序化结构分布与堆垛方式的深入认识，加深对非晶态短程、中程有序结构本质及其结晶过程动力学的理解，为非晶纳米晶化技术的优化和控制提供科学依据。

非晶态合金结构，在短程上（几个原子间距范围内）是有序的，这与晶体结构是类似的，具有典型的固态结构特征。在中程、长程范围内，原子的堆垛却是无序的，没有任何规律可言，故而非晶态结构的性能也主要体现在短程有序结构的研究上，有序化原子团簇的表征和分析具有非常重要的意义。本课题基于非晶态合金中的有序化团簇，分析其有序化特征和分布规律，并最终通过其本征结构特性，分析有序化团簇与结晶相之间的关联特征。研究结果表明：1）非晶态Zr基合金结构中，其有序化团簇既存在体心立方对称，又存在二十面体的对称，但相对于标准bcc和ico结构的对称性来说，这些团簇的对称性又不是很强，表明这些团簇在取向上存在着一定程度的畸变；2）对于bcc多面体团簇结构来说，其中既含有bcc键对类型，也含有ico键对类型，而这种堆垛特征降低了bcc多面体的体心立方对称性，为相应晶体相的生成造成了阻碍，有利于提高稳定性；3）在晶化过程中的，有序化团簇的结构类型明显对应于出生晶体相的类型，说明两者之间存在着很强的关联性，即：在非晶态合金产生长程有序的晶体结构之前，其短程有序化团簇结构是一致的，只是存在着一定的畸变特征；4）在非晶态合金晶化过程中，可以用最近邻原子CN值的变化，结合PDF和结构因子变化来研究析出过程，同样可用JMA经典理论进行分析。纳米晶化过程分为三部分，分别具有特定的结晶动力学特征。在结晶初期，转变过程主要为界面控制的一维形核过程，与非晶态基体中的相分离具有密切的联系。而在析出过程中，转变过程主要受短程和中程上的原子扩散影响，为三维形核和长大过程。结晶完成后，则可能发生亚稳相转化和其他晶界区的变化。这些研究结果可以有效地将非晶态合金中的有序化团簇与结晶相结构联接起来，为分析非晶态合金稳定性以及抑制结晶提供参考，促进了对非晶原子有序化结构分布与堆垛方式的深入认识，加深了对非晶态短程、中程有序结构本质及其结晶过程动力学的理解，为非晶纳米晶化技术的优化和控制提供科学依据。