液態(tài)金屬銅及銅鋯合金快速凝固過(guò)程中相轉(zhuǎn)變微觀機(jī)理的模擬研究.pdf

1、本文回顧了凝固科學(xué)的發(fā)展歷程，介紹了液態(tài)金屬的快速凝固的理論、工業(yè)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)模擬在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。簡(jiǎn)述了分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamics，MD)模擬研究的起源、發(fā)展和應(yīng)用:從基本原理到具體實(shí)現(xiàn)，包括原子間相互作用勢(shì)、模擬系綜和計(jì)算機(jī)算法等。重點(diǎn)描述了本文采用的微觀結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵方法——團(tuán)簇類(lèi)型指數(shù)法(Cluster Type Index Method-3，CTIM-3)。本文主要是采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法

2、，并結(jié)合雙體分布函數(shù)、HA鍵型指數(shù)法和團(tuán)簇類(lèi)型指數(shù)法等微觀結(jié)構(gòu)表征方法，從不同角度、不同層次，系統(tǒng)考察了液態(tài)金屬銅(Cu)及銅鋯合金(Cu-Zr)在快速凝固過(guò)程中相轉(zhuǎn)變的微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)制。
　　首先，采用分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬研究了液態(tài)金屬Cu在1×1012 K/s冷速下的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程中。能量與溫度曲線的突變表明，在此冷速下體系經(jīng)歷了結(jié)晶過(guò)程，且根據(jù)能量曲線的斜率改變可確定結(jié)晶起始溫度和結(jié)束溫度為707 K和622K。采用CTIM-

3、3方法，對(duì)體系中數(shù)量最多的基本原子團(tuán)簇（涉及體系80％以上的原子）的演變過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析?；驹訄F(tuán)簇所占百分比的增減變化清晰地顯示，從液態(tài)到晶態(tài)的相轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了幾個(gè)逐步遞進(jìn)的階段（有部份重疊），且的確是通過(guò)“步進(jìn)”來(lái)完成的。尤其發(fā)現(xiàn):在結(jié)晶之前，二十面體結(jié)構(gòu)在T∈(792K，745K)區(qū)間存在一個(gè)數(shù)量飽和的階段，此飽和狀態(tài)對(duì)于穩(wěn)定過(guò)冷液體和孕育晶化先驅(qū)——亞穩(wěn)體心立方bcc結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用。過(guò)渡結(jié)構(gòu)bcc-like團(tuán)簇在此飽和溫

4、度區(qū)間開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，bcc團(tuán)簇在此飽和階段結(jié)束之際開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，而非晶體ico-bcc-like團(tuán)簇在此飽和階段始終保持迅速增長(zhǎng)。而在相轉(zhuǎn)變起始溫度707 K，ico-bcc-like團(tuán)簇開(kāi)始迅速減少，穩(wěn)定的面心立方fcc團(tuán)簇開(kāi)始迅速增加。在相轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度622 K，只有fcc團(tuán)簇還保持較大的增長(zhǎng)速率，而得到300 K時(shí)fcc為主體的晶體結(jié)構(gòu)。Cu的快速凝固過(guò)程中經(jīng)歷了二十面體飽和階段和bcc亞穩(wěn)態(tài)，因此Cu的結(jié)晶過(guò)程遵循Ostwald

5、提出的“步進(jìn)原則”。
　　進(jìn)一步采用分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬研究了包含100萬(wàn)原子的Cu64.5Zr35.5合金體系在快速凝固過(guò)程中納米團(tuán)簇的形成與演變機(jī)制。采用CTIM-3表征方法分析系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn):過(guò)冷液體與非晶固體中所占百分比最高的基本原子團(tuán)簇為二十面體，其主體結(jié)構(gòu)由二十面體之間相互連結(jié)而成的大團(tuán)簇構(gòu)成，尤其是二十面體通過(guò)1551鍵型共心連接形成穩(wěn)定的不同尺寸的納米級(jí)IS-ICO團(tuán)簇。特別發(fā)現(xiàn):在非晶固體(300 K)中，

6、IS-ICO納米團(tuán)簇的尺寸分布（包含原子數(shù)目）具有幻數(shù)特征，包含原子數(shù)目主要為19，23，25，27，29，31，33，35，37，41，43…等。這些具有幻數(shù)特征的納米團(tuán)簇的中心原子相互連結(jié)的形狀有鏈條狀，三角形帶單鏈，四邊形帶單鏈三種。由于二十面體具有高度的局域結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，因此由其構(gòu)成的IS-ICO納米團(tuán)簇具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致包含大量IS-ICO納米團(tuán)簇的非晶態(tài)Cu-Zr合金具有更強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性以及可承受更高的負(fù)荷加載。

7、>　　深入研究了初始熔體溫度對(duì)Cu46Zr54合金快速凝固過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變與非晶固體中微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的影響。通過(guò)對(duì)5個(gè)起始溫度的凝固過(guò)程的模擬數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)與非晶體相關(guān)的鍵型(1551、1541和1431)，二十面體(12012000000)與缺陷二十面體(1208000220)對(duì)整個(gè)凝固中的微觀結(jié)構(gòu)演變起著重要作用。初始熔體溫度的影響在體系溫度低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg才明顯體現(xiàn)。在300 K時(shí)，5個(gè)凝固過(guò)程得到的非晶固體中