前言

本書通過數據統計、原位同步輻射實驗、徑向分布函數分析，以及反蒙特卡羅法等實驗和模擬技術，對非晶合金的局域結構特征和原子堆垛機制進行了系統的研究，提出了關于原子在短程和中程上的結構特征和堆垛機制的全新理論；并對納米晶化過程中合金的原子結構演變和結晶動力學特征進行了深入分析，為研究合金的局域結構和結晶動力學特征提供了全新的分析手段。本書的主要工作和創新性主要包括以下幾個方面。

（1）通過數據統計的方法，分析了非晶合金在局域結構上的原子堆垛特征，即短程和中程上的原子分布規律，發現非晶結構中，原子堆垛呈殼層狀分布，各配位原子層與中心原子之間的相對配位距離一定，具有固定的數值：、、、、……這種原子分布規律代表了非晶合金結構上的一個普遍特征，不受非晶合金組元種類、原子尺寸以及組元之間的化學作用等因素影響。

（2）非晶結構中原子配位層的相對位置分布符合球周期理論；與晶體結構的三維平移對稱不同，非晶合金的結構特征為疊加的球周期對稱；而類晶體短程序的存在則導致了原子配層的存在，從而造成了徑向分布函數（PDF）第二峰的劈裂；非晶合金的中程序（MRO）表現為二維原子面結構，其中原子是密堆的；這種二維MRO的存在有利于提高非晶合金的穩定性。

（3）通過同步輻射實驗和徑向分布函數方法分析了Zr-基非晶合金的局域結構特征，并采用反蒙特卡羅法獲得合金的三維原子構型，利用鍵對分析、鍵取向分析和Voronoi多面體分析等方法研究了合金結構的原子分布和堆垛情況，及其對非晶形成能力（GFA）的影響。Zr-Cu和Zr-Cu-Al非晶合金原子結構特點是具有兩種不同的短程序（SRO）。鍵對主要由ico鍵對構成，原子堆垛密度較高；SRO多面體結構以bcc化合物多面體含量最高，bcc多面體結構中也存在著大量的二十面體（ico）鍵對，這一結構引起了bcc多面體結構的畸變；其次為ico多面體，ico多面體具有五次對稱的原子拓撲堆垛結構，與化合物晶體的四次或六次對稱是不相容的，另外五次對稱的ico多面體也很難生成長程周期系排列的二十面體相，因此這種短程有序結構的存在阻礙了長程晶相的生成。在Zr-Cu和Zr-Cu-Al非晶合金中，拓撲SRO多面體和化合物晶相SRO的含量比值（ico/bcc）與GFA相關聯，兩類合金成分的Zr和Cu的含量有利于形成bcc SRO，在結構中含量較大。拓撲ico SRO與原子尺度比密切相關，容易生成以Al為中心的ico SRO結構。在這兩類合金中的ico/bcc都較小（0.2～0.25）。在Zr-Cu合金中，隨著Cu含量降低，系統中bcc含量減小，導致ico/bcc值增加，從而提高了GFA。而在Zr-Cu-Al合金中，則當適量Al（5.0%～8.0%）替代Zr時，系統中的bcc多面體含量減小，提高了ico/bcc值和合金的GFA。總之，適當的ico/bcc比值可能是一個提高合金GFA的重要因素，它還與合金成分有關。Zr₄₈Cu₃₆Al₈Ag₈非晶合金中，Ag的添加促進了ico多面體結構的形成，與Zr-Cu-Al合金相比，Ag原子的加入降低了Al原子周圍的bcc多面體團簇的含量，而提高了ico多面體團簇的含量，增加了系統的混亂度；同時，這種五次對稱的二十面體團簇結構與化合物晶體結構不相容，相互之間難以轉化，能夠有效阻礙晶體相的形成，提高了合金的GFA。

（4）通過原位同步輻射技術和徑向分布函數分析方法研究了非晶合金在等溫退火過程中的局域結構演變和結晶動力學特征。這是一種全新的結晶動力學分析方法，采用此種方法可以同時得到合金局域結構在晶化過程中的演變過程，在國際上屬首次報道。非晶合金的納米晶化過程分為三部分：①界面控制的一維形核過程，此過程中，最近鄰原子配位數（CN）值有少量變化，但對PDF和結構因子影響不大；②析出相長大過程，此階段，原子CN值、PDF形狀和結構因子都有明顯變化，而在晶化后期，CN值趨向飽和，PDF和結構因子已經沒有明顯變化；③長大后期階段，CN值仍發生了少量變化，可能與亞穩相轉化和其他晶界區的變化相關。

本書得到了國家“九七三”重點基礎研究發展規劃項目基金（2011CB605500）的資助，以及國家自然科學基金（51101093、51171015、U1204508、51301019、51272140）和高等學校學科創新引智計劃（B07003）的部分資助。北京科技大學林均品教授和山東建筑大學的劉科高教授認真審閱了本書，并提出了許多寶貴意見。

著者

2014年12月