在远离热力学平衡态条件下产生的亚稳态材料对人们寻找新型功能材料具有非常重要的意义。其中，金属玻璃材料和其晶化过程中产生的亚稳态晶体材料是凝聚态物理和材料物理中的重要研究方向。然而，由于人们对金属玻璃的结构和动力学性质尚缺乏深刻的认识，如何理解、预测、控制金属玻璃与亚稳态晶体材料的形成是目前重要的科学难题。　　围绕这一问题，本博士论文重点研究了铝钐金属体系在远离平衡态条件下产生的玻璃态结构、动力学性质及相变过程。本文包含以下六章:　　第一章首先介绍了金属玻璃的研究背景和发展历史，概述了现有的金属玻璃理论和非晶结构模型。其次，介绍了经典成核理论和固液界面的研究现状，为本文的研究铺垫。　　第二章介绍了目前在计算模拟领域广泛应用的分子动力学模拟方法，讨论了常用的金属玻璃和液体结构分析手段，例如对关联函数、结构因子、配位数与化学短程序、键角分布函数、共近邻分析、键向序、沃罗诺伊图形分析、原子团簇结构校正方法以及实验衍射测量方法，同时还简要介绍了晶体结构搜索中的基因算法。　　第三章介绍了本人在攻读博士期间发展的“晶体基因”方法。该方法认为金属晶体、金属玻璃以及金属液体之间存在共同的局域原子排布。基于这一思想，我们结合了基因算法、分子动力学模拟以及原子团簇校正方法来确定金属液体和金属玻璃的短程结构序。我们首先研究了铜锆体系，发现了正二十面体和Frank-Kasper CN16短程结构序分别是铜原子和锆原子团簇局域排布的低能量构型，解释了它们在铜锆金属液体和金属玻璃中广泛存在的原因。其次，我们在铝钐体系低能量晶体结构中发现了一种大量存在的3661局域构型，并由此解决了铝钐金属液体和金属玻璃的短程结构序。通过研究3661型团簇在铝钐金属玻璃中的连接方式，我们解释了钐钐对关联函数在中程距离处发生劈裂的原因，同时发现3661型团簇难以形成互穿网络结构，在一定程度上解释了铝钐体系玻璃形成能力较弱的原因。通过本章的分析研究，我们可以看出晶体基因理论为解决非晶体系结构序问题提供了有力的分析手段。　　第四章介绍了我们对铝钐金属玻璃在升温条件下退玻晶化过程的研究。首先，我们解决了铝钐金属玻璃晶化过程中出现的所有亚稳态晶体结构，其中包括一个含有140多个原子的复杂晶相。我们以实验得到的X射线衍射谱作为限制条件，利用基因算法搜索低能量晶体结构。为了加速晶体结构的能量计算，我们拟合并检验了一个可以准确描述铝钐体系原子相互作用的经验势。通过第一性原理计算验证搜寻到的晶体结构的稳定性后，我们利用Rietveld方法分析了晶体中的缺陷。为了确认Rietveld分析的准确性并获得详细的缺陷类型，我们又进行了分子动力学模拟，从非晶态中直接生长出含有缺陷的晶体结构。这一整套方案解决了铝钐体系20多年未解的大立方晶相。通过研究铝钐亚稳态晶体结构，我们发现利用不同方法制备的铝钐金属玻璃形成的第一个晶相中均含有3661短程结构序。通过分子动力学模拟，我们找出了一条由非晶态到晶态的相变途径。基于对模拟轨迹的研究，我们将大立方晶相在金属液体中极快的生长速率归因于该结构对缺陷的高容忍度以及与非晶相类似的短程结构序和化学成分。通过这一系列的研究，我们对金属玻璃的晶化问题有了更深入的理解。我们认为在非晶态到晶态的相变中，相选择不仅依赖于能量，而是原子扩散率和体系结构序等因素共同影响的结果。这一研究有助于我们预测和控制金属玻璃晶化中新结构与新材料的形成。　　第五章介绍了利用原子的动力学参量描述固液相变的过程。我们根据原子在液体和固体中截然不同的运动行为，利用van Hove自关联函数来确定原子发生液体-固体相变的精确时间，由此研究非平衡状态下的固液界面和过冷液体的结晶过程。首先，我们观察到晶体无论在液体中生长还是熔化，均会将晶相结构延伸到相邻液体中。同时，我们发现液态原子在固液界面处频繁的附着与脱落行为影响着固液界面的局域结构和迁移率。在过冷液体结晶的研究中，我们发现利用原子的动力学参量判定成核过程比传统的结构序参量方法更加简洁有效。不仅如此，我们还发现在金属液体中原子形成晶核前会经历一段时间的玻璃化过程，这与经典成核理论所描述的结晶过程有着了极大的差异。因此，原子动力学参量方法为我们研究固液相变的过程提供了一条独特的思路。　　第六章对本博士论文的工作进行了总结，并展望后续工作。