金屬形核及固-液界面能的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、固/液界面能是過冷熔體形核/生長理論中極其重要的物理量，它對于凝固過程中的形核速率和生長速度及界面結(jié)構(gòu)有重要影響。金屬的固/液界面能的深入理解對于理解熔體形核及生長過程有很大幫助。本文將形核過程和固/液界面能作為一個系統(tǒng)來看待。我們通過實驗全面地研究了Ag、Cu、Ni體系的固/液界面能及形核方式；同時采用分子動力學(xué)方法詳細(xì)地研究了Ag、Cu、Ni的均質(zhì)形核過冷、形核前熔體的晶胚結(jié)構(gòu)同晶核結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)、以及Ni50Cu50異質(zhì)形核過程。取得

2、的主要成果有：
　　 本文通過在真空電磁感應(yīng)加熱裝置中采用熔融玻璃凈化+循環(huán)過熱的方法對Ag、Cu、Ni的過冷規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用合適的凈化工藝，使其分別獲得了263K、257K、340K的過冷度。采用最大過冷度法，我們計算得到在這些過冷度下對應(yīng)的固/液界面能值分別為：0.1388Jm-2、0.1939Jm-2、0.27631Jm-2。這和有關(guān)固/液界面能模型所預(yù)測的界面能吻合得很好。為了判定這些金屬的形核方式，我們通過相

3、關(guān)固/液界面能模型計算得到了實際工藝參數(shù)下的均質(zhì)形核過冷度，也和我們得到的實驗值很接近，表明了在這些過冷度下，Ag、Cu、Ni的形核方式接近均質(zhì)形核。另外，我們對Ag、Cu、Ni的均質(zhì)形核過冷采用分子動力學(xué)方法進(jìn)行了模擬。結(jié)果表發(fā)現(xiàn)：模擬得到的形核過冷度同有關(guān)界面能的理論預(yù)測相吻合。通過采用EAM多體勢函數(shù)，對銀形成非晶的冷卻速度范圍進(jìn)行了分子動力模擬，在此基礎(chǔ)上研究了銀熔體中亞臨界晶核的結(jié)構(gòu)、銀凝固過程結(jié)晶相的結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系。

4、結(jié)果表明：在一定的冷卻速度范圍內(nèi)，銀熔體凝固后得到的組織是晶體團(tuán)簇與非晶組成的混合體，最大晶體團(tuán)簇尺寸隨著冷速的增加而減小；銀凝固過程中的晶體團(tuán)簇和結(jié)晶后的晶體是由面心立方fcc和密排六方hcp構(gòu)成的層狀偏聚結(jié)構(gòu)。銀熔體結(jié)晶后由面心立方和密排六方構(gòu)成的層狀組織偏聚結(jié)構(gòu)起源于熔體中的晶胚，在形核階段就已經(jīng)生成，并非在生長階段才開始產(chǎn)生。采用不同強(qiáng)度形核基底-合金作用勢，實現(xiàn)了對過冷Ni50Cu50熔體均質(zhì)和異質(zhì)形核過程的分子動力學(xué)模擬。結(jié)

5、果發(fā)現(xiàn)：異質(zhì)形核時臨界晶核的形狀并非球冠狀，因此用經(jīng)典形核理論中的潤濕角因子無法表征異質(zhì)形核基底的形核能力；異質(zhì)形核時晶核與形核基底之間存在原子間距數(shù)量級大小的間隙δ，δ隨晶核與形核基底間差異的增大而增大，δ可用來衡量形核基底對熔體的形核能力；隨δ的減小，形核孕育時間縮短、臨界晶核中的原子數(shù)減少；模擬得到的無量綱原子數(shù)同異質(zhì)形核的無量綱形核孕育時間的對數(shù)近似呈線性關(guān)系，表明用臨界晶核中的原子數(shù)因子取代潤濕角因子后，經(jīng)典形核理論與模擬結(jié)果