液态、金属玻璃和固溶体合金等无序态结构中依然存在近程有序行为,而近程序产生的根本原因是Friedel振荡;当电子的Friedel振荡波与原子的径向分布波达到共振状态时,结构便呈现出球周期特征。本论文将基于上述共振理论,研究三种简单晶体(包括面心立方FCC、六角密堆HCP和体心立方BCC结构)以及与金属玻璃相关的复杂晶体中的球周期特征。然后将晶体相中的球周期共振结构应用于近程有序长程无序的金属玻璃及固溶体合金的成分解析和设计上,试图揭示出完全有序的晶体相与仅呈现近程序的无序态之间的结构同源性。结合本课题组前期提出的团簇加连接原子模型,根据金属玻璃与对应晶化相、以及简单晶体与相关固溶体合金的结构同源性,发展了金属玻璃、共晶合金与固溶体合金的近程序结构模型和相关成分设计方法。在全面总结了液态、金属玻璃、固溶体合金等无序态结构中的近程有序行为以及基础的Friedel振荡理论之后,本论文给出了以下四个方面的研究结果:(1)首先,基于共振理论,解释了 FCC、HCP以及BCC三种简单晶体的结构起源,即它们均源于周期性密堆原子面与费米面上电子散射波之间的共振作用。具体来讲,在FCC结构中,参与共振的是{111}和{200}原子面;在HCP结构中,则是{100}、{002}以及{101}原子面;而在BCC结构中,是单独一组{110}原子面。共振晶面围成了简单晶体结构中的第一近邻配位多面体团簇构型。进而指出,BCC结构的球周期特征和原子密堆特征都最接近于液态结构。同时,根据FCC、HCP以及BCC结构的原子径向分布,揭示了这三种结构中的球周期特征,验证了简单晶体基于球周期共振的结构起源,同时也验证了晶体结构与液态结构的同源性。(2)然后,将共振理论拓展到二元复杂晶体相中,同样揭示出类似于简单晶体结构中的球周期特征。以Cu-(Zr,Ti)二元体系为例,对于其中的晶体相,分别估算了费米波矢的长度kF,以及布里渊区或琼斯区的直径Kpe,验证了共振条件,即Kpe = 2kF。同时,根据Cu-(Zr,Ti)二元体系中晶体相的原子径向分布,观察到了显著的球周期特征,验证了晶体相与相关液态和金属玻璃的结构同源性。在此基础上,对所有与二元金属玻璃相对应的晶化相中的原子径向分布进行了详细分析,包括Cu-(Zr,Hf)、Ni-(Nb,Ta)、Al-Ca以及Pd-Si体系。结果发现只要以主团簇为心,原子在径向分布上都会表现出球周期特征,揭示了金属玻璃与对应晶化相的结构同源性,并指出将二者共享的主团簇加上合适的连接原子便可以构建出基于团簇的结构单元。(3)基于金属玻璃与对应晶化相的结构同源性,给出了应用团簇加连接原子模型对金属玻璃进行成分解析的具体步骤,并指出其中最关键的一步是确定主团簇,所采用的两个主要判据是球周期特征和团簇孤立度。本论文主要解决的是Ni-(Nb,Ta)体系中的金属玻璃的成分解析问题,对于实验所得的块体金属玻璃成分Ni62Nb38和Ni59-62Ta38-41,均给出了合适的团簇式解释。并根据24电子规则以及球周期共振条件,对相应的团簇式进行了验证。(4)结合团簇加连接原子模型,应用共振理论,针对HCP型固溶体合金以及相关的共晶合金,给出了构建固溶体合金成分式的具体步骤。根据HCP晶体的原子径向分布,引入Friedel振荡理论,确定出HCP型固溶体合金的团簇构型为孪晶立方八面体(Twinned octahedron)。然后将团簇按照球周期规则进行堆垛,对于原子半径近似相等的HCP型固溶体合金,从结构稳定性的物理本质上确定了团簇式中的连接原子个数为3,给出了统一的团簇式:[团簇](连接原子)3。并将该团簇式成功应用于Al-Co、Co-Cr、Mg-Hg和Mg-Sb体系中与HCP型固溶体结构相关的共晶成分解析上。特别指出,对于Co-Cr体系中的共晶点Co56Cr44,当两种元素的固溶度很大时,应该选择Co3Cr高温相以及CoCr σ相中的团簇来构建双团簇式。并给出了 Co3Cr相中的四种团簇式:[Co-Co8Cr4]Co3、[Co-Co8Cr4]Co2Cr、[Co-Co8Cr4]CoCr2 和[Co-Co8Cr4]Cr3。应用这四种团簇式,对Co-Cr基工业合金进行了成分解析。总结出了固溶体合金基于团簇加连接原子模型的成分解析步骤,以此作为固溶体合金成分设计的一般流程,为新型合金的研发以及原有合金的性能优化提供理论指导。