论文总字数：17004字

目 录

第一章 绪论 3

1.1金属玻璃的概念 3

1.2金属玻璃的研究进展 5

1.2.1大块玻璃金属的研究 6

1.2.2玻璃金属非晶体形成机理的研究 6

1.2.3玻璃金属脆性的研究 6

第二章 分子动力学模拟 6

2.1分子动力学的基本原理 7

2.1.1哈密顿方程（Hamilton） 7

2.1.2拉格朗日方程（Lagrange） 8

2.2分子动力学模拟 9

2.2.1模拟原理(计算机模拟技术) 9

2.2.2模拟理论 9

2.2.2.1应力--应变 9

2.2.2.2杨氏模量 11

2.3模拟方法（利用Lammps进行金属材料机械性能的计算模拟） 11

2.3.1Lammps介绍 11

2.3.2Lammps准备工作 12

2.3.2.1输入脚本 12

2.3.2.2势文件 12

2.3.2.3lmp_win_no-mpi.exe 12

2.3.3利用Lammps进行金属材料机械性能的计算模拟实例 12

第三章 模拟金属玻璃CuZr的力学性质 14

3.1不同组分的CuZr合金的力学参量模拟 14

3.2.径向分布函数 17

第四章 结论 20

金属玻璃力学性能的分子动力学模拟

陈峥

, China

Abstract: In this thesis, I mainly focused my research on the mechanical properties of ZrCu alloys with different compositions. ZrCu alloy is a very important and representative type of metallic glass. The study of ZrCu alloy has a certain significance for the study of metallic glass. We divide the proportion of different components of alloy by means of molecular dynamics simulation, and then write the scripts of different components as input scripts of LAMMPS software and carry out the computer simulation. The results of molecular dynamics simulation of the corresponding component alloys can be obtained. After obtaining the operation results, we use the method of drawing the alloy radial distribution function and Young's modulus diagram to get more intuitive data. The radial distribution function and Young's modulus diagram can be used to analyze the directional change of microscopic and macroscopic characteristics of the alloy. In addition, we can analyze the correlation between the two factors. Finally, the results of the analysis are summarized, and the mechanical properties of ZrCu alloy are obtained.

Keywords: metallic glass; molecular dynamics simulation; LAMMPS; mechanical properties.

第一章 绪论

1.1金属玻璃的概念

金属和玻璃这两种材料，在我们传统的观念中，它们俩只可能同时共同存在，而不可能是一种物质或者材料，但是，我们今天这篇论文要研究的就是一种物质-----“金属玻璃”。金属玻璃从材料学来说，它是一种合金，从另外一种性质来说，他是非晶态的。之所以叫它金属玻璃，是因为它同时拥有金属和玻璃两种物质的特性。但是值得一提的是，金属玻璃在继承了金属和玻璃的优点的前提下，却“巧合”的避免了这两种单独的物质所无法克服的弊端。首先，“破镜重圆”一直以来都是用来形容重归于好的美好事情，可是真正的玻璃是无法在破碎之后重圆的，因为玻璃没有延展性，它很容易破碎，金属玻璃就在一定程度上克服了玻璃的这个巨大缺点，它具有一定的韧性。在强度、耐磨、弹性各方面性能优良的金属玻璃，无疑成为了各行各业未来发展的宠儿。但是，金属玻璃虽然已经在很多领域投入使用并展现了很远大的发展前景，可是还有很多或大或小的困难仍未克服。如金属玻璃剪切带的结构特性【1】，金属玻璃液体的异常动力学特性【2】，以及微观原子变形与材料整体变形之间的关系等。本篇论文是利用计算模拟（分子动力学模拟，主要应用LAMMPS），在模拟中改变ZrCu合金中两种原子的比例从而得出其对应的分子动力学模拟结果，而从模拟结果分析其不同比例对合金力学性能的影响。结果分析以后，可以跟很多学者所做的实验结果、机理和现象产生众多的逻辑关系【3】。

简介

在科学家的眼里，相对于金属玻璃，对于玻璃的定义是比较简单的。他们认为有两个条件，第一是能从液态冷却成固态；第二，没有结晶。【4】。妇孺皆知的物理知识是，金属在冷却时会变“硬”（冷却结晶），这就是金属在结晶时其原子会排列成具有一定规律的形式。在这里我要强调一下“结晶”和“规律”这两个词语，因为如果在这个过程中这两个行为只要有一个没有发生的话，那么我们今天要研究的对象就产生了，而且此研究对象是事实存在的。跟传统意识中的玻璃制品不一样的是，金属玻璃虽然叫做“玻璃”，但是它不透明，及其少见的原子排列方式使它们有着特殊的性质。众所周知，普通的金属容易变形，即使是不容易变形的金属，如果在超过其承受能力的外力的作用下变形甚至断裂，那么将会发生永久性的形变。很不一样的是，在一定程度上，与之相反的特性却出现在金属玻璃这一新型材料的身上。

自从金属玻璃在20世纪中期被发现以来就被科学家们深入研究。跟之前的晶体结构物质相比，金属玻璃展现出非常不一样的性质（尤其是物理力学性质），使之在诸多领域都已经做出了巨大贡献。值得一提的是，虽然金属玻璃有着这样那样的非传统特性，但是在众多结构无规则的材料中，它却是比较简单的一类，为科学工作者研究此类材料提供了一个“敲门砖”。

发展简史

二十世纪三十年代，这个时代对于金属玻璃来说具有重大意义，因为金属玻璃的第一种制备方法公布于世------气相沉积法。20多年以后，冶金学家创造了实业制备金属玻璃的方法----通过混合某些较稳定的金属直接结晶出金属玻璃，几乎与此同时，科技大国美国登场，加州理工学院的Klement和Duwez等人通过快速降温的办法制备出金属玻璃。他们最终得出的结论是，当合金材料（必须是薄层）在急速降温的情况下（每秒一百一十摄氏度），它们就可以形成金属玻璃。但因为技术水平有限，他们制备出的金属玻璃只能是很薄的形状。

近年来，在金属玻璃的制备方面又有了一定的突破，金属玻璃的原料从两种到了四五种，但是由于混入的原子种类的增加和技术水平的限制，制备出的金属玻璃多以条状薄层状居多。增加金属玻璃的原子种类，可以使其韧性大幅度的增加，现在世界上很多价值不菲的高尔夫球棒的头部，就加入了金属玻璃，从一定程度上说明了金属玻璃的优越性，也体现了金属玻璃前途无量的发展空间。

成分结构

上文我们说到，金属玻璃从微观方面来说最独特的就是其原子排列无规则，但是普通玻璃的也是如此，那为什么这两者的性质却有天壤之别呢？如果单纯比较这二者，那么其形成这种差异的主要原因便是“金属”二字。

薄而细是目前金属玻璃生产中的一大特色，或者可以说是一个难题，因为金属玻璃要想有规模的生产，一个无法被更替的条件就是在极短的时间内完成大幅度的降温，这是目前科学条件从技术到理论上的双重压力之下的产物。第一，制备方法上无法找到替代通过降温完成结晶的办法；第二，技术上难以做到在降温要求苛刻的情况下完成降温操作。我们可以想象，如果制备大块的玻璃金属成为现实，那么很多被材料本身限制的设备将会迎来“大跃进”，比如最容易想到的就是制造引擎零件，当然一些要求更苛刻的军用武器设备将脱胎换骨。

金属玻璃中有一种用铁造的，铁我们大家都熟悉，相对比较低的熔点，使它融化后会变得很柔软，在实业中比较容易加工，可以简单地锻造成想要的各种形状，是比较好的通用材料。

形变

传统的晶体材料由于其晶格存在不可避免的位错、层错等缺陷，导致晶体在宏观形变方面比较容易实现。那么问题来了，对于我们这篇论文的主角----金属玻璃，虽然我们说金属玻璃的原子排列无规则，韧性好，不易发生形变，可是一旦它产生形变，那么它的形变机制又是怎么样的呢？

第一，宏观上。在上文我们讲到金属玻璃的制备时就已经说过，温度是可以左右金属玻璃的形变的。在这里，我们又要看一下叶威廉教授在《MD模拟研究穿过金属玻璃界面的剪切带传播》【1】一文中提到的关于金属玻璃剪切带的一些相关工作和结论。这里面有两个温度很重要，第一个是“玻璃转变点”，温度达到此标准或者在此之上时，金属玻璃的每一个部分都变形；温度低于此温度时金属玻璃只有剪切带变形。第二个温度就是“室温”，在这里，至于金属玻璃的“玻璃转变点”的温度一般都高于室温，由此导致的室温下金属玻璃宏观形变、塑性和它与金属玻璃脆性断裂的关系等不做过多讨论。

第二，微观上。如果从微观上来看金属玻璃的形变机制，同样也有两个不得不说的，这两个就是简单的“自由体积”理想模型和稍微复杂一些的“剪切转变区”模型，这两个都是目前世界上比较认可的两种理论模型。“自由体积”模型中，每一个原子都被认为拥有自己的一定的自由体积，每个原子的运动叠加起来就是整个金属玻璃材料的形变。通过统计学原理统计每个原子的运动情况，从而研究宏观形变。但是如果一旦原子受到外力作用，那么这个原子只会向一个方向运动，所以它对形变产生的效果也就在应力方向上。自由体积模型虽然在从微观解释宏观上模糊，带有诸多的不确定性，但是不能忽视的是它提供了最直观的理解思路。与自由体积模型比较，“剪切转变区”模型则更加“全面”一些，这个模型认为，材料的宏观变形是材料中剪切转变区产生的局部形变积累叠加的效果，它不仅考虑到剪切带的形变，还考虑到多个剪切带之间的相互作用，从理论上是更加优良的模型。

1.2金属玻璃的研究进展

从发现到研究，从研究到制备，从制备到应用，金属玻璃已经在各行各业中发展壮大了半个多世纪，经过这么多年的发展，金属玻璃的“家族”已经成为了材料学中一个不可忽视也无法忽视的新体系。不仅实业上为我们创造了很多传统材料无法做到的“工作”，还为科学发展尤其是物理学发展注入了强大的生命力。

1.2.1大块玻璃金属的研究

在本章1.1节金属玻璃的概念中的成分结构中，我们分析了限制金属玻璃制备成果的两个困难，正是由于这两个难以克服负的困难，导致了如今技术制备出的金属玻璃多以条状和薄状居多，在金属玻璃特性如此优越和社会发展需求越来越大的大背景下，制备出大块状的金属玻璃已经成为人们迫切想要解决的难题。

多年以来，金属玻璃的发展大体上可以分为两个阶段，由刚开始的的受限制合金(薄带、细丝、粉末等)发展为目前的“块体”玻璃金属合金。玻璃金属独特的优越的特性将国内外科研方面的注意力全部吸引了过来，一个大的趋势在这方面的体现尤为明显，社会需求促进和引领研究的进行，科研成果服务于社会需求，玻璃金属强大的生命力推动了科研工作者们披荆斩棘，同时，诸多的研究成果也服务了各行各业的发展进步。

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