蒲元偉, 梁永超

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院新型光電子材料與技術(shù)研究所, 貴陽 550025)

1 引 言

銅(Cu)和銀(Ag)屬于高反射材料，有優(yōu)異的殺菌、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能[1-3]. 研究表明，二者的合金具有比其單質(zhì)更好的導(dǎo)熱能力、擴(kuò)散性能以及更高的硬度和抗壓強(qiáng)度[4]. 這吸引了人們極大的研究興趣，一些學(xué)者致力于提高Cu-Ag合金的力學(xué)性能，快速凝固過程中的條件對于Cu-Ag合金固體的形成有極大的影響，因此，認(rèn)識快速凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)制非常重要[5，6].

壓強(qiáng)和溫度是控制晶體和非晶固體形成的兩個重要熱力學(xué)參數(shù)，它們對固體形成過程有重要影響[7，8]. 通過增加凝固過程中的壓強(qiáng)可以增強(qiáng)原子間的相互作用力，改變原子間的排布，能夠促進(jìn)非晶或者晶化的轉(zhuǎn)變，是獲得新型結(jié)構(gòu)材料的一種重要方法. 但是，通過實驗對凝固過程精準(zhǔn)控壓的難度較大，成本較高，而且難以觀察凝固過程的微觀結(jié)構(gòu)變化. 分子動力學(xué)模擬提供了足夠的時間、空間分辨率再現(xiàn)凝固過程的細(xì)節(jié)，具有低成本、精確等特點(diǎn)，是一種重要的研究手段. 李昌等人用分子動力學(xué)研究了Ti3Al合金的形核機(jī)理，發(fā)現(xiàn)合金在形核過程中，F(xiàn)CC沿密排面逐層生長形成了大量的層片狀孿晶和少數(shù)五重孿晶結(jié)構(gòu)[9]. Zahiri等人模擬了Cu納米晶的快速凝固和壓縮過程，納米晶體在應(yīng)變?yōu)?0%時包含許多五重孿晶、層錯和孿晶邊界，五重孿晶既能成核也能阻礙位錯，而且能提高力學(xué)性能[10]. Mo等人用分子動力學(xué)研究壓強(qiáng)對Ta結(jié)晶的影響，并采用多種微觀結(jié)構(gòu)表征方法，發(fā)現(xiàn)平均原子勢能、體積和微觀團(tuán)簇結(jié)構(gòu)等在不同壓強(qiáng)下的快速凝固表現(xiàn)出對溫度的不同依賴行為，最終在100 K溫度時從0到100 GPa，分別形成了α-Ta晶體、BCC晶體、簡單β-Ta晶體和HCP晶體[11]. 雖然有很多人都通過改變多種條件得到了五重孿晶、層片狀孿晶和復(fù)雜晶體等，但是卻未給出晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同形式排列的原因.

為了探究合金快速凝固得到晶體呈現(xiàn)不同排列方式的原因，本文采用分子力學(xué)模擬Cu10Ag90合金在0、20和40 GPa壓強(qiáng)下的快速凝固過程. 首先通過平均原子勢能、微觀團(tuán)簇結(jié)構(gòu)、共有近鄰子團(tuán)簇 (CNS)和構(gòu)型熵等參數(shù)分析了快速凝固過程中的短程有序演化，不同壓強(qiáng)下形成了五重孿晶、層片狀孿晶和復(fù)雜晶體等具有不同原子排列形式的結(jié)構(gòu). 其次，為了進(jìn)一步揭示晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同排列方式的原因，從微觀團(tuán)簇連接形式解釋了為什么五重孿晶只能以HCP為五重對稱軸、FCC與HCP傾向于以層片狀形式排列以及BCC形成復(fù)雜晶體形式的原因. 這些發(fā)現(xiàn)從團(tuán)簇連接角度解釋了晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同排列方式的原因.

2 模擬條件與分析方法

2.1 分子動力學(xué)模擬

本文Cu10Ag90合金的快速凝固過程采用開源軟件Lammps[12]進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，通過Wu等人[13]提出的EAM勢函數(shù)來描述Cu-Ag原子間相互作用關(guān)系. 首先采用蒙特卡洛(MC)方法構(gòu)造了具有最低勢能分布的10000個(1000個Cu原子和9000個Ag原子)原子的初始模型，模型采用周期性邊界條件. 在2500 K溫度下等溫馳豫1ns，分別在0、20和40 GPa壓強(qiáng)下，以1×1010K/s的冷速快速凝固至常溫300 K，得到三組Cu10Ag90合金固體，所有凝固過程在NPT系綜下進(jìn)行. 為了后續(xù)方便對降溫過程進(jìn)行深入分析，在降溫過程中每隔0.1ns記錄一次合金模型中所有原子的編號、種類、坐標(biāo)、勢能等信息.

2.2 最大標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇分析法(LaSCA)

最大標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇分析法(LaSCA)是Tian等人在2011年提出的一種識別無序體系結(jié)構(gòu)的方法[14，15]. LaSCA可以通過算法自動為每個原子找到一個唯一的截斷半徑rc，而不需要依靠人為設(shè)置. 以rc為截斷半徑能夠客觀地描述每個原子與近鄰原子的局部結(jié)構(gòu). 如圖1(a)所示，如果相鄰的兩個原子之間的距離小于rc，則認(rèn)為它們成鍵，否則不成鍵. 與Voronoi等傳統(tǒng)分析方法相比具有客觀性、有效性、唯一性和完備性等特點(diǎn). LaSCA將結(jié)構(gòu)分為三層：共有近鄰 (CNN)(圖1(b))、共有近鄰子團(tuán)簇(CNS)(圖1(c))、最大標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇(LaSC)(圖1(d)).

圖1 (a)連鍵，(b)共有近鄰CNN，(c)共有近鄰子團(tuán)簇CNS，(d)最大標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇LaSC. Fig. 1 (a)The bond，(b)Common near neighbor (CNN)，(c)Common neighbor sub-cluster (CNS)and (d)The topology of the largest standard cluster (LaSC).

每個LaSC中心原子可以與任意近鄰原子組成一個參考對(RP)，RP和它們的CNN構(gòu)成一個CNS. 通常用Sijk來表達(dá)，這里i是RP共用的CNN原子數(shù)，j是CNN之間的成鍵數(shù)，k是CNN中最長的連續(xù)成鍵數(shù).

如圖1所示，原子坐標(biāo)與距離d在合金模型中是唯一確定的. 以任一原子為中心，當(dāng)搜索半徑rc不斷增加時，RP會共用更多的原子，CNN的成鍵數(shù)量也會增加. 當(dāng)rc超過某個臨界值時，CNS中會出現(xiàn)多鍵點(diǎn)(MBP)和共有近鄰子環(huán)(CNSR)(圖1(b-c)紅色虛線)，此時CNS不是唯一的. 為了保證n個CNS是唯一的，逐漸去除CNN中最長的鍵，當(dāng)正好有n個CNS可以被唯一確定，并且n達(dá)到最大值時，就唯一確定了最大標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇(LaSC)和截斷半徑rc. 如果每個團(tuán)簇中所有CNS都沒有MBP和CNSR，則叫標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)簇(SC). LaSCA為所有的原子確定了唯一的rc，它只由局部結(jié)構(gòu)特征決定. 因此，不需要人為地為所有原子設(shè)置一個截斷半徑，保證了局部結(jié)構(gòu)的客觀性和唯一性. LaSCA可以客觀地描述合金模型中每個原子及其近鄰原子形成的局部結(jié)構(gòu). 具體的細(xì)節(jié)和實施算法已在參考文獻(xiàn)[15]中闡述.

圖1(d)顯示了1-B/Z12、Z12和A13三種LaSC，分別表示為[2/S433，2/S544，8/S555]、[12/S555]和[1/S444，10/S555，2/S666]. 同樣，二十面體(ICO，Z12)、面心立方 (FCC)、密排六方 (HCP)和體心立方 (BCC)LaSC分別表示為[12/S555]、[12/S421]、[6/S421，6/S422]和[6/S444，8/S666][16].

3 結(jié)果與討論

3.1 g(r)與能量

雙體分布函數(shù)(g(r))表征的是以任意原子為中心的球殼內(nèi)找到其他原子的概率，g(r)峰值的形狀和位置能有效反映體系的整體結(jié)構(gòu)特征，可以很好地區(qū)分液體、固體、晶體和非晶等[17，18]. 圖2展示了Cu10Ag90合金在不同壓強(qiáng)下快速凝固中300 K時各體系的g(r)及其第一峰高度隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系. 圖2(a)中各g(r)曲線均形成了尖銳而狹窄的主峰和其它多個小峰，說明存在長程有序結(jié)構(gòu)，這是晶體的典型結(jié)構(gòu)特征. 隨著壓強(qiáng)增大，原子間的平均距離變小，所以g(r)曲線各個峰的位置向左偏移. 此外，20 GPa的g(r)曲線在各個峰值中最高，表明Cu10Ag90合金在此壓強(qiáng)下結(jié)構(gòu)有序度最高.

圖2 (a)不同壓強(qiáng)獲得的Cu10Ag90合金在300 K時的g(r)曲線；(b)各g(r)曲線的第一峰高度. Fig. 2 (a)g(r)curves of Cu10Ag90 alloy at 300 K obtained at different pressures；(b)first peak height of each g(r)curve.

可視化是分析Cu10Ag90合金晶體形成的一種直接有效的方法. 圖3通過共有近鄰分析法(Common Neighbor Analysis，CNA)得到各壓強(qiáng)下Cu10Ag90合金每個原子的晶體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)類型可視化圖. 壓強(qiáng)為0 GPa時，體系形成了FCC和HCP組成的五重孿晶和層片狀孿晶. 20 GPa時，只形成層片狀孿晶，它們都只有極少的BCC晶體. 40 GPa有FCC、HCP和BCC共存，F(xiàn)CC與HCP多以層片狀分布，BCC分散排布，形成復(fù)雜晶體. BCC晶體的晶格與FCC和HCP晶體的晶格不兼容，因此BCC原子通常分散在FCC晶體中. BCC作為一種亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)，高壓能夠促進(jìn)BCC的形成.

圖3 300 K時不同壓強(qiáng)Cu10Ag90合金的結(jié)構(gòu)可視化圖：(a)0 GPa，(b)20 GPa，(c)40 GPa. 綠色、紅色和藍(lán)色分別代表 FCC、HCP和 BCC晶體結(jié)構(gòu)原子(為了便于觀察晶體分布，圖中刪掉了其他原子). Fig. 3 Structural visualizations of Cu10Ag90 alloy for different pressures at 300 K：(a)0 GPa，(b)20 GPa，(c)40 GPa. Green，red and blue represent FCC，HCP and BCC crystal atoms，respectively，and other atoms have been deleted from the figure to facilitate the observation of the crystal distribution.

平均原子勢能(APE)可以簡單有效地反映快速凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和初步演變特征. 為了考察壓強(qiáng)對微觀結(jié)構(gòu)變化的影響，圖4為不同壓強(qiáng)下Cu10Ag90合金的APE在快速凝固過程中隨溫度的變化情況. 由圖可知，APE隨著溫度的降低連續(xù)下降，然后在各自的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度Tc處發(fā)生突變. 說明合金發(fā)生了一級相變，形成晶體結(jié)構(gòu)，而且結(jié)晶的時間極短. 因為晶體比其他結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，勢能也更低，所以APE在結(jié)晶后會突然下降.Tc前后的APE均隨著溫度T降低而線性降低. 隨著壓強(qiáng)的增大，突變溫度依次升高，分別是746 K、1390 K、1888 K. 壓強(qiáng)越大，合金在終溫300 K時的平均原子勢能越高. 結(jié)果表明，增加壓強(qiáng)會提高合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度且增加APE.

圖4 不同壓強(qiáng)Cu10Ag90合金的平均原子勢能E與溫度T的關(guān)系.Fig. 4 Average atomic potential energies E as a function of temperature T for Cu10Ag90 alloy at different pressures.

3.2 短程有序結(jié)構(gòu)分析

g(r)和APE均是統(tǒng)計平均的物理參數(shù)，無法說明快速凝固過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化情況. 為了能夠具體描述更多的原子結(jié)構(gòu)組態(tài)，圖5分析了快速凝固過程中短程有序結(jié)構(gòu)隨溫度變化的情況. Cu10Ag90合金在不同壓強(qiáng)下的主要晶體團(tuán)簇是FCC、BCC和HCP，如圖5(a-c)分別對應(yīng)三種晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化情況. 各團(tuán)簇的突變溫度與圖4中的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度一一對應(yīng)，壓強(qiáng)越大，晶體在更高的溫度形成. 在結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度Tc之前，各體系的三種晶體團(tuán)簇幾乎為0. 除40 GPa外形成了大量的BCC，各體系均是以FCC為主，增長最快的是20 GPa. Groh和Mulder[19]認(rèn)為亞穩(wěn)相BCC具有比其他兩種晶體結(jié)構(gòu)更低的自由能，高壓進(jìn)一步降低了自由能，促進(jìn)了亞穩(wěn)相BCC的形成. 由于整個降溫過程都保持相同的壓強(qiáng)，使得BCC能夠一直保留到終態(tài)而不轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的FCC或HCP. 此外，BCC的數(shù)量在結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度后幾乎趨于穩(wěn)定，而FCC和HCP的數(shù)量在結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度后還在大量增加，說明晶體持續(xù)生長. 由圖5(c)可知，300 K時不同壓強(qiáng)下生成的FCC數(shù)量有很大的差別，數(shù)量與壓強(qiáng)不成單調(diào)變化，在20 GPa下結(jié)晶度最好(72.93%).

一個團(tuán)簇通常是由多個CNS構(gòu)成，可以通過CNS認(rèn)識每個團(tuán)簇的中心原子與任一近鄰的成鍵關(guān)系. 如圖6所示，7種主要的CNS在快速凝固過程中隨溫度的變化. 圖6(a-d)的S421、S422、S444和S666跟晶體結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而圖6(e-g)的S433、S544和S555是非晶的結(jié)構(gòu)特征，大量存在于液體和非晶中[20]. FCC [12/S421]和HCP [6/S421，6/S422]都跟S421和S422相關(guān)，而三組合金中都生成了大量的FCC及HCP，所以它們在Tc處開始大量增加. 20 GPa的S421已經(jīng)超過了70%，因為20 GPa結(jié)晶度最好，形成最多的FCC跟HCP. BCC [6/S444，8/S666]主要跟S444和S666相關(guān)，它們在圖6(c-d)中Tc處突增，分別對應(yīng)BCC的大量生成. 它們在突增后又開始緩慢下降，其他兩組合金的CNS則直接在Tc處下降，轉(zhuǎn)化成其他更穩(wěn)定的CNS. 由圖6(e-g)可知，每組合金在Tc之前(液態(tài))都大量存在S433、S544和S555(三者比例總和超過60%)，在Tc之后則急劇下降，與晶體的CNS突增一一對應(yīng). 20 GPa下降幅度最大，說明這三種非晶CNS主要向晶體S421發(fā)生轉(zhuǎn)化.

構(gòu)型熵能夠反映合金在任意時刻的有序度，定義為S= -Σ(ρilogρi)，ρi表示i類團(tuán)簇的占總團(tuán)簇的比例[21，22]. 顯然，構(gòu)型熵越小，合金體系就越有序. 構(gòu)型熵建立了微觀結(jié)構(gòu)團(tuán)簇與有序度之間的關(guān)系，是一種重要的分析手段. 如圖7所示，隨著溫度的降低，構(gòu)型熵緩慢變小，有序度不斷增加. 壓強(qiáng)越大，合金在Tc之前的構(gòu)型熵就越小，合金就越有序. 隨著溫度降低，Tc處發(fā)生了結(jié)晶轉(zhuǎn)變，構(gòu)型熵在結(jié)晶轉(zhuǎn)變后瞬間減小，有序度大幅提高. 構(gòu)型熵減小幅度最大的是20 GPa，因為20 GPa晶體團(tuán)簇主要是晶體FCC和HCP，而且占比大，有序程度最高，所以具有最小的構(gòu)型熵.

圖7 不同壓強(qiáng)Cu10Ag90合金的構(gòu)型熵隨溫度T的變化. Fig.7 Variations of the conformational entropy with temperature T for Cu10Ag90 alloy at different pressures.

3.3 晶體團(tuán)簇的連接方式

前面提到，不同壓強(qiáng)下快速凝固得到的合金晶體原子的排列有所區(qū)別，F(xiàn)CC與HCP多為層片狀分布，而BCC分布較為散亂. 為了研究團(tuán)簇的連接方式對晶體結(jié)構(gòu)排列造成的影響，下面將深入分析其原因.

3.3.1五重孿晶中HCP與tDh的連接

五重孿晶在很多材料中都有出現(xiàn)[23-25]，它產(chǎn)生于凝固過程中原子類型的轉(zhuǎn)變和形成孿晶界時位錯的消失，屬于缺陷的一種[26-28]. 圖8(a)為Cu10Ag90合金0 GPa時一個五重孿晶結(jié)構(gòu)的切片圖. 將切片中的五重孿晶各原子連鍵并測量角度得到圖8(b)，五重孿晶的五個角度分別是71°，73°，71°，76°，69°. 五重孿晶的中心原子團(tuán)簇是截邊十面體團(tuán)簇(tDh). 如圖8(d)，2個相鄰的紫色原子分別構(gòu)成2個S555，中心原子與周圍10個紅色原子分別構(gòu)成10個S422. HCP與tDh的連接方式如圖8(c)所示，它們通過S422(淺藍(lán)色原子)進(jìn)行連接. 之所以能連接在一起，是因為它們都有共同的CNS(S422)，而FCC與BCC都與tDh沒有共同的CNS，所以無法與tDh連接. 有趣的是，tDh周圍的10個紅色原子(圖8(d))都能作為HCP的中心原子，而這10個原子剛好構(gòu)成S555的共有近鄰(CNN)，HCP沿S555的五重頂點(diǎn)位置向外延伸的直線即構(gòu)成了一個五重對稱軸，最終形成五重孿晶.

圖8 五重孿晶連接可視化圖：(a)0 GPa切片的五重孿晶可視化圖，(b)五重孿晶，(c)五重孿晶中心團(tuán)簇與HCP的連接方式(紫色和紅色分別為tDh和HCP團(tuán)簇中心，金色為配位原子，淺藍(lán)色為tDh與HCP中心原子的共有近鄰(CNS)原子)，(d)五重孿晶中心團(tuán)簇截邊十面體(tDh)，表示為[10/S422，2/S555](紫色為五重孿晶中心原子)，(e)tDh俯視圖. Fig. 8 Visualization of the fivefold twin connection：(a)visualization of the fivefold twin at 0 GPa slice，(b)fivefold twin，(c)the connection of five-fold twinned center cluster and HCP (tDh and HCP cluster center in purple and red，respectively，with the coordination atoms in gold and the CNS atoms of tDh and HCP center atoms in light blue)，(d)fivefold twin central cluster truncated-decahedron (tDh)，denoted as [10/S422，2/S555](purple color is the fivefold central atom)，(e)top view of tDh.

3.3.2層片狀孿晶中HCP與FCC的連接

20 GPa下體系形成了大量的FCC和HCP，多以層片狀分布，具有代表性. 對圖9(a)中①②兩處單層和雙層HCP放大分別得到圖9(b-c)，三層以上HCP可依次類推. 單層HCP是一個孿晶界，雙層HCP原子并排形成本征層錯[23]. 圖9(d)揭示了FCC與HCP的連接方式. 從結(jié)構(gòu)組成來看，F(xiàn)CC與HCP都有共同的CNS(S421)，它們通過共有的S421(淺藍(lán)色原子)進(jìn)行連接. 圖9(e)是一個標(biāo)準(zhǔn)的FCC，紅色虛線圈住的原子是FCC與HCP共用的原子，與FCC中心剛好組成一個S421. FCC的A層和C層三個原子都可作為HCP的中心原子(連接角度不同)，而B層的6個近鄰原子因為無法構(gòu)成與HCP相連的CNS而無法作為HCP的中心原子. 顯然，F(xiàn)CC的B層無法與HCP相連，只能與自身相連，而A層和C層都能與HCP相連，所以FCC與HCP大多以層片狀形式排列.

圖9 (a)20 GPa切片的層片狀孿晶可視化圖，(b)單層HCP孿晶，(c)雙層HCP孿晶，(d)FCC與HCP連接可視化圖(綠色和紅色原子分別為FCC和HCP中心原子)，(e)FCC. Fig. 9 (a)Visualization of lamellar twins of 20 GPa sections，(b)single-layer HCP twins，(c)double-layer HCP twins，(d)visualization of FCC and HCP connections (green and red atoms are FCC and HCP central atoms，respectively)，(e)FCC.

圖10(a)是FCC的A層三個原子作為HCP的中心原子可視化圖. 如圖10(b-c)，HCP的結(jié)構(gòu)與FCC類似，HCP的A層和C層原子同樣也能作為FCC的中心原子. FCC與HCP的B層原子都無法構(gòu)成彼此的CNS而無法互連，但是FCC與HCP在B層都能與自身相連從而能夠完全密排的鋪滿整個空間. 當(dāng)然FCC與HCP的A層和C層也能作為自己的中心原子而縱向擴(kuò)展，所以HCP可以是單層也可以是多層結(jié)構(gòu).

圖10 (a)FCC的A層三個原子分別作為HCP的中心(紅色是HCP中心原子也是FCC的A層原子)，(b)標(biāo)準(zhǔn)HCP團(tuán)簇，(c)標(biāo)準(zhǔn)FCC團(tuán)簇. Fig. 10 (a)The three atoms of the A-layer of FCC as the center of HCP (red is the HCP center atom which is also the A-layer atom of FCC)，(b)the standard HCP cluster，and (c)the standard FCC cluster.

3.3.3復(fù)雜晶體中BCC與FCC、HCP的連接

40 GPa中同時含有大量BCC、FCC和HCP三種晶體團(tuán)簇. 通過圖11(a)的切片圖可以看到BCC與FCC和HCP均能連接. 圖11(b)是BCC [6/S444，8/S666]與FCC [12/S421]的連接可視化圖，從結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)它們之間是沒有相同的CNS，那它們是怎么能夠連接在一起呢？觀察圖11(e)，BCC配位數(shù)為14，結(jié)構(gòu)比其他兩種晶體更復(fù)雜. BCC與FCC互相貢獻(xiàn)出幾個特殊位置的原子，即紅色虛線圈出的原子，構(gòu)成它們相互連接所需要的D-S6結(jié)構(gòu)(圖11(c)). D-S6的2、3、5、8號原子和1、4、6、7號原子各在一平面上，3～6號原子在垂直于1、2號原子的中垂面上，7、8號原子偏離中垂面. 值得注意的是，BCC中只有A層的1號和2號及其C層的等價原子可以作為FCC的中心原子，而3號和4號以及B層原子都無法提供與FCC相連所需的CNS，所以無法連接. 也就是說，F(xiàn)CC與BCC的連接只能沿紅色箭頭方向連接，而不能沿3、4號原子方向連接. FCC只能夠與BCC在特定位置的原子構(gòu)成D-S6進(jìn)行連接.

圖11 (a)40 GPa切片的可視化圖，(b)FCC與BCC連接可視化圖(綠色和藍(lán)色分別是FCC和BCC中心原子)，(e)D-S6，(c)標(biāo)準(zhǔn)FCC團(tuán)簇，(d)標(biāo)準(zhǔn)BCC團(tuán)簇. Fig. 11 (a)Visualization of 40 GPa slices，(b)visualization of FCC and BCC connections (green and blue are FCC and BCC central atoms，respectively)，(c)D-S6，(d)standard FCC clusters，(e)standard BCC clusters.

圖12(a)為BCC [6/S444，8/S666]與HCP [6/S421，6/S422]的連接. 同樣，它們之間仍然沒有共同的CNS，也是通過共用幾個特殊位置的原子形成D-S6進(jìn)行連接. 因為HCP與FCC結(jié)構(gòu)高度相似，所以連接方式也類似，HCP同樣也只能沿BCC中紅色箭頭方向進(jìn)行連接.

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，BCC與HCP還可以通過彼此的B層原子連接(圖12(d))，此時它們是通過D-S6的變形體進(jìn)行連接，圖中紅色虛線圈出的原子即D-S6的7、8號原子偏離稍遠(yuǎn)形成了D-S6的變形體. 同理，BCC與FCC也能通過彼此的B層原子以D-S6的變形體形式連接. 由于合金體系快速凝固過程會有一些熱擾動等原因，最終不是全部形成完全標(biāo)準(zhǔn)的晶體結(jié)構(gòu)，而BCC與FCC、HCP以D-S6及其變形體進(jìn)行連接在誤差允許范圍內(nèi). BCC與其它兩種晶體結(jié)構(gòu)連接的多樣性，也是其在合金體系中形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的主要原因.

4 結(jié) 論

本文通過分子動力學(xué)模擬不同壓強(qiáng)下Cu10Ag90合金的快速凝固過程，采用 LaSCA方法分析快速凝固過程中短程有序結(jié)構(gòu)的變化，對形成的五重孿晶、層片狀孿晶和復(fù)雜晶體進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)Cu10Ag90合金分別在0、20和40 GPa下以1×1010K/s的冷速快速凝固至300 K分別形成五重孿晶、層片狀孿晶和復(fù)雜晶體. 它們的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度隨著壓強(qiáng)的增大而升高，APE隨壓強(qiáng)增大而增大. 合金中非晶相關(guān)的S433、S544和S555在溫度降至結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度時會轉(zhuǎn)變?yōu)榫w相關(guān)的S421、S422、S444和S555，同時晶體團(tuán)簇大量生成，合金有序度提高，構(gòu)型熵降低.

(2)五重孿晶的中心團(tuán)簇tDh只能與具有相同S422的HCP相連形成五重孿晶結(jié)構(gòu)；FCC與HCP通過它們共有的CNS(S421)進(jìn)行連接，由于它們只能以彼此的頂層和底層原子作為另一個團(tuán)簇的中心，所以它們通常形成層片狀結(jié)構(gòu)；BCC與FCC、HCP之間雖然沒有相同的CNS，但是它們可以通過共用彼此的幾個特殊位置原子構(gòu)成D-S6或者其變形體進(jìn)行連接，其連接的多樣性是形成復(fù)雜晶體的主要原因.

通過研究團(tuán)簇連接形式對晶體結(jié)構(gòu)排列的影響，從團(tuán)簇結(jié)構(gòu)組成和連接形式解析了合金形成五重孿晶、層片狀孿晶和復(fù)雜晶體的原因，這些研究為不同晶體團(tuán)簇之間的連接形式提供了新的思路.