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本论文从团簇结构角度出发提出了理想块体金属玻璃成分设计的方法及步骤,并通过实验和理论分析揭示了这一成分设计的有效性及机理。首先,本论文阐述了基于“团簇加连接原子”结构模型的金属玻璃成分设计的三个基本步骤。该模型将金属玻璃结构分为团簇和连接原子两个部分,团簇为某种配位多面体,连接原子位于团簇之间的间隙,该结构则可表述为团簇成分式：[团簇](连接原子)x,并以此作为金属玻璃成分设计的出发点。金属玻璃成分设计的第一步是从两个共晶相的结构中找到合适的团簇,以团簇式解析二元共晶的成分,并构建共晶相关的团簇成分式[团簇](连接原子)x,x-1,3。第二步,以构建的共晶相关团簇式为基本结构,在团簇和连接原子位置进行适当替换去提高合金的玻璃形成能力。最后,运用化学势均衡原理确定出连接原子个数,从而给出理想块体金属玻璃的精确合金成分。其次,本论文以Co-B基B-Co-Si-Ta合金体系为例,验证上述合金的成分设计思想。第一步,从共晶相CoB中获得了团簇B3Co7,该团簇以小原子B为团簇中心、以B2Co7为团簇的壳层原子,构成配位数为9的三棱柱结构。当该团簇与一个B连接原子的结合,可解析基础二元共晶成分B37C063～[B3Co7]B=B36.4C063.6。第二,选择Si、Ta、Nb等元素在连接原子位置进行置换。第三,运用化学势均衡原理确定连接原子个数从而构建理想的团簇式,进而得到精确的金属玻璃成分。我们用铜模吸铸法制备了金属玻璃样品,并对其进行结构、热分析及力学性能等表征。实验证实四元合金体系中具有最佳玻璃形成能力的成分为[B3Co7](Si0.62Ta0.38)1.43=B26.2Co61.2Si7.8Ta4.8,可以形成直径4mm的块体金属玻璃,其中连接原子恰为Si-Ta的共晶比例成分,连接原子数目由化学势均衡原理精确给出。当进一步用Ni去替代Co可获得直径5mm的金属玻璃,其成分为[B3(Co0.65Ni0.35)7](Si0.62Ta0.38)1.43=B26.2(Co0.65Ni0.35)61.2Si7.8Ta4.8。本论文用团簇线方法设计了B-Ni-Fe-Si-Ta和B-Fe-Si-Nb块体金属玻璃成分,该方法是团簇成分式[团簇](连接原子)x在相图上的表现形式。实验结果表明具有最佳玻璃形成能力的合金成分分别来自理想团簇式[B2Ni8]Si1.33和[B2Fe8]Si1.33,在保持基本团簇式结构不变的同时,选择适当的元素进行替代可提高玻璃形成能力。例如形成的块体金属玻璃成分可以表述为[B2(Ni0.65Fe0.35)8](Si0.66Ta0.34)1.33=B177(Ni0.65Fe0.35)70.5Si7.8Ta4和[B2Fe8]](Si0.66Ta0.34)1.33=B177Fe70.5Si7.8Nb4。本论文同时研究了(Co,Ni,Fe)-B基合金体系中的约化玻璃转变温度Trg和玻璃形成能力的关系,指出具有最大Trg的金属玻璃成分对应着形成能力最佳的理想金属玻璃成分,但Trg不适合衡量具有不同基础团簇结构的金属玻璃的形成能力。此外,本论文还分析了所获得金属玻璃的力学、软磁以及抗腐蚀性能,其中较高的断裂强度σf=4870 MPa和硬度Hv=14.5GPa出现在Co-B基的[B3Co7](Si0.62Ta0.38)1.43=B26.2Co61.2Si7.8Ta4.8合金成分中；而相对较好的软磁性能,其饱和磁化强度Is=1.36T,矫顽力Hc=3.9Am-1出现在Fe-B基的金属玻璃[B2Fe8](Si0.66Nb0.34)1.33=B17.7Fe70.5Si7.8Nb4中；在1mol/L的HCl中较耐腐蚀的金属玻璃成分为Ni-Fe-B基的块体金属玻璃[B2(Ni0.65Fe0.35)8](Si0.66Ta0.34)1.33=B17.7(Ni0.65Feo.35)70.5Si7.8Ta4。最后,本文根据CN6三棱柱为所有TM-B团簇的共同基础结构的特点,提出了用CN6团簇是构建统一的[B-TM6]M1(TM=Co,Ni,Fe)的模型,破译了前文获得的TM-B基块体金属玻璃合金成分,并用[B-TM6]M1模型进一步提炼出了具有大玻璃形成能力的Co-B、Ni-Fe-B和Fe-B基块体金属玻璃成分,分别为[BCo5(Si0.62Tao.38)1]B1=B25C062.5Si7.7Ta4.8、[B(Ni0.65Fe0.35)5(Si0.66Ta0.34)1](Ni0.65Feo.35)0.67B0.33)1 =B16.6(Ni0.65Fe0.35)70.9Si8.2Ta4.3和[BFe5(Si0.66Nbo.34)1](Feo.67Bo.33)1=B16.4Fe70.9Si78.2Nb4.3。它们具有较高的约化玻璃转变温度Trg分别为0.657、0.615和0.604,且分别可以形成直径为4mm、3mm和3mm的块体金属玻璃棒。同时,我们成功应用[B-TM6]M1模型解释了所有已经报道的典型TM-B-Si基块体金属玻璃成分。与已经报道的典型TM-B-Si基块体金属玻璃成分对比,本文所研究的体系中,首次开发的四元Co-B基B-Co-Si-Ta块体金属玻璃不仅成分简单且具有最高的玻璃形成能力,而且压缩断裂强度、硬度值以及弹性模量是这些相似体系中最高的。本论文的研究思路亦可用于指导其它体系金属玻璃成分设计。