金属及其合金快速凝固过程的分子动力学模拟

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	金属及其合金快速凝固过程的分子动力学模拟
	刘俊
学位类型	博士
导师	赵九洲
	2007-06-08
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料加工工程
关键词	分子动力学模拟镶嵌原子势晶体形核非晶形成能力原子团簇
摘要	近年来，快速凝固过程的计算机模拟正越来越受到人们的关注。一方面，它可以预测材料在快速凝固过程中形成非晶的能力，另一方面，它同时还可以给出材料从液态到晶态或液态到非晶态过程中微观结构演化的详细信息，而这是无法从实验上得到的。本论文利用计算机模拟方法之一，分子动力学（MD）方法对简单金属及其二元合金的晶化及非晶化过程进行了模拟，并对影响其液固转变过程的热力学、动力学及外在因素等作了一定的探讨。其主要研究内容如下： 1、用分子动力学方法预测了液态金属Cu均质形核的临界尺寸大小，结合经典形核理论，计算了不同过冷度下体系固液界面能、形核自由能壁垒等重要热力学参数。计算结果与实验值吻合较好，表明金属Cu固液界面能随温度的上升而上升，可用公式Els=0.1163+1.0234E-4T较好地进行描述。随着过冷度的增加，晶体形核自由能壁垒下降，形核所需临界晶核尺寸变小，且与过冷度成反比例关系。晶核长大速度与过冷度成正比例关系。结果与经典形核理论相符。 2、尝试用分子动力学方法构建了液态Cu快速凝固的TTT图。由图计算出形成非晶所需的临界冷却速度约为。考察了体系冷却后的微观结构随冷速、压强的变化关系。结果表明：以低于的冷速冷却液态Cu将导致体系发生晶化转变。转变后晶体结构为层状FCC类型原子和HCP类型原子的混合体，且同类原子倾向于与同类原子聚集。FCC原子数目随冷速的降低而升高，而HCP原子则呈相反趋势。以高于的冷速冷却液态Cu将导致体系发生非晶转变。非晶转变温度随冷却速度的变化关系可以由Vogel-Fulcher-type方程（Tg(r)=T0-B/ln(rA) ）较好地描述。冷却过程中高压的加入将增加非晶Cu体系的有序度，并使得RDF各峰变高且发生左移。在高压下形成的非晶Cu中不仅存在着大量的二十面体非晶团簇结构，同时也存在着一定数量的晶体团簇结构。对于给定的冷却速度，高压将使得液态体系的晶化趋势增加。 3、对Cu4Ni6二元合金的均质形核过程进行了细致的研究，生动展示了不同过冷度下合金临界晶核形成及长大的微观细节。结果表明：在过冷液态合金体系中存在着大量的正二十面体结构团簇，但此结构团簇并不参与晶体形核过程，在晶核形成前它已完全消失。在形核初期，体系中会出现大量不稳定的晶胚，通过结构起伏和成份选择，最终形成稳定的临界晶核。晶核中组元成份比与所给合金原始组元成分比近似。稳定相FCC结构原子早在晶胚出现时就已存在，且呈片层状分布，并与少量片层状HCP结构原子相互混合，共同构成临界核结构。临界核的大小随过冷度的增加而减小。形核初始时间则随过冷度的增加呈先减小再增加的趋势。临界核的长大速度随过冷度的增加成线性增长关系。 4、模拟研究了具有不同原子尺寸差异的两种二元金属合金（Ni6Cu4，Ag6Cu4）的非晶转变过程，考察了其非晶形成能力与形核热力学及动力学之间的关系，并首次用分子动力学方法构建了Ni6Cu4合金液固转变的时间－温度转变曲线。结果表明：二元合金Ag6Cu4的非晶形成能力要远强于二元合金Ni6Cu4。在Ni6Cu4非晶合金中存在着较多的微观晶体团簇结构和较少的正二十面体团簇结构。提高多元合金的非晶形成能力与降低体系晶化驱动力是一致的。 5、模拟研究了Cu-50at%Ni二元非晶合金的形成过程。对其非晶结构作了细致深入的分析。结果表明：Cu-50at%Ni二元非晶合金体系可以看作是由多数正二十面体结构及部分缺陷多面体团簇结构交互作用而形成的网状结构。相对于正二十面体，缺陷二十面体结构不稳定，在冷却到一定温度以下数目有下降的趋势。在这些缺陷二十面体结构中，1：10、2：8缺陷二十面体结构占据着多数。这与其所含1551键对的数目有一定的关系，含1551键对多的，其数目也较多。无论对于正二十面体还是缺陷二十面体，为了降低体系自由能，大原子均易于占据多面体结构单元的顶点位置，小原子则倾向于占据各多面体中心较大的空隙位置。
页数	123
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17025
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘俊. 金属及其合金快速凝固过程的分子动力学模拟[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2007.