金屬熔體原子間相互作用勢(shì)及其微觀不均勻性.pdf

1、在液態(tài)金屬快速冷卻至過冷液相區(qū)的過程中，體系中既存在著空間的動(dòng)力學(xué)非均勻行為，也存在著結(jié)構(gòu)上的非均勻特性。研究熔體在過冷液相區(qū)的微觀非均勻性質(zhì)，對(duì)于快速凝同理論的發(fā)展及非晶材料的制備都具有指導(dǎo)意義。計(jì)算機(jī)模擬能夠得到體系局域結(jié)構(gòu)信息，有助于人們對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解。建立適合液態(tài)金屬研究的原子間相互作用勢(shì)，可以提高模型預(yù)測(cè)熔體性能的能力，為實(shí)驗(yàn)提供必要的理論指導(dǎo)。 本文以計(jì)算機(jī)模擬為主要研究方法，圍繞金屬熔體原子間相

2、互作用勢(shì)的建立和微觀非均勻性的探討，主要進(jìn)行以下工作： ⑴在液態(tài)金屬的雙體作用勢(shì)中，原子間長程吸引特征更加顯著。因此，在傳統(tǒng)的Lennard-Jones(LJ)作用勢(shì)中引入修正參數(shù)θ，即： ⑵Φ(r)=4ε[(σ0/r)12-(σ0/r)6-θ]通過液態(tài)金屬粘度的類密集氣體模型和Born-Green粘度公式，利用純金屬的液態(tài)密度、實(shí)驗(yàn)粘度及偶分布函數(shù)數(shù)值，得到了合理的作用勢(shì)參數(shù)，進(jìn)而得到適用于液態(tài)純金屬研究的偶勢(shì)。以純金

3、屬Al、Cu和Ag為研究對(duì)象，得到其修正的LJ作用勢(shì)。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，計(jì)算了體系的狀態(tài)方程曲線和液態(tài)偶分布函數(shù)曲線，并描述了三種純金屬體系在凝固過程巾的能量和結(jié)構(gòu)演變。模擬結(jié)果與采用J.Mei、Johnson的鑲嵌原子勢(shì)模型和有效雙體勢(shì)模型得到的模擬結(jié)果吻合得較好。但是實(shí)驗(yàn)數(shù)值的不確定性對(duì)作用勢(shì)的準(zhǔn)確性有重要的影響。 ⑶在此基礎(chǔ)上，以Al75Cu25二元合金為研究對(duì)象，在計(jì)算合金體系總激活能時(shí)，引入異類原子間的高溫混合焓

4、值，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)密度、粘度及偶分布函數(shù)數(shù)值，擬合異類原子間的相互作用勢(shì)，將修正的LJ作用勢(shì)推廣到二元合金。利用二元合金修正的Lennard-Jones原子間作用勢(shì)函數(shù)，計(jì)算得到的Al75Cu25合金在1000K溫度下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子S(Q)與實(shí)驗(yàn)值相吻合。體系經(jīng)歷冷卻過程后，低溫下偶分布函數(shù)曲線呈現(xiàn)晶體峰特征，Al-Cu原子間的相互作用更加強(qiáng)烈，即體系更傾向于異類原子結(jié)合。通過對(duì)原子近鄰位置及鍵對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析，證明冷卻終態(tài)，體系中包含

5、大量的FCC晶體結(jié)構(gòu)。鍵取向序參數(shù)W6、Q6數(shù)值也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。研究了純金屬Ni在快速冷卻至過冷液態(tài)區(qū)，尤其是Tc溫度以下時(shí)，由動(dòng)力學(xué)不均勻性與結(jié)構(gòu)不均勻性所引起的體系原子的擴(kuò)散、聚集生長方式。模擬得到體系的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg為800K，臨界溫度Tc=840K。通過均方位移MSD、非高斯參數(shù)NGP和各類鍵對(duì)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，對(duì)熔體動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)在馳豫過程中的非均勻行為進(jìn)行了詳細(xì)的描述。根據(jù)馳豫的不同特點(diǎn)，將整個(gè)降溫過程分為三個(gè)溫

6、度區(qū)間：(a)840K≤T≤1000K，當(dāng)馳豫時(shí)間超過形核孕育時(shí)間r時(shí)，過冷液體將發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象；(b)810K≤T＜840K，為晶體與非晶態(tài)基體共存的復(fù)雜區(qū)域；(c)T＜800K時(shí)，隨著馳豫時(shí)間的增長，出現(xiàn)非晶的晶化行為。構(gòu)建了溫度(temperature)-時(shí)間(time)-結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(transformation)示意圖，即TTT曲線。動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)馳豫結(jié)果表明，過冷液體的結(jié)晶過程與非晶的晶化過程均源于形核和長大過程，與體系內(nèi)原子的結(jié)構(gòu)

7、重排密切相關(guān)。 ⑷以Ni-zr二元合金為研究對(duì)象，通過熔甩的方法制備了NiZr2完全非晶條帶，并通過電子探針、X射線衍射技術(shù)(XRD)和差式掃描量熱分析(DSC)對(duì)非晶條帶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明，NiZr2非晶條帶中含有少量的氧元素，非晶合金的晶化過程分為兩個(gè)階段：非晶→非晶+ZrO→ZrO+NiZr2，晶化最終產(chǎn)物為ZrO相和NiZr2相。同時(shí)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，利用Hausleitner-Hafner提出的多體勢(shì)，對(duì)液

8、態(tài)NiZr2合金在快速冷卻過程中的能量及結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行了描述。模擬發(fā)現(xiàn)低溫下體系偶分布函數(shù)g(r)的第二峰有顯著的劈裂，但各類偏偶分布函數(shù)gij(r)劈裂發(fā)生的溫度不同，同時(shí)通過偏偶分布函數(shù)和配位數(shù)的計(jì)算描述了非晶形成過程中NiZr2相的形成機(jī)制。鍵對(duì)分析結(jié)果表明，Ni-Zr非晶合金中不僅存在大量表征非晶結(jié)構(gòu)的1551、1541和1431鍵型，同時(shí)還存在1441、1311和1321等鍵型所形成的團(tuán)簇，四而體及菱而體對(duì)NiZr2非晶結(jié)構(gòu)有不