液態(tài)Mg-Zn合金凝固過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變的模擬研究.pdf

1、本文簡(jiǎn)單回顧了液態(tài)金屬快速凝固和分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展歷程。在不同條件下模擬Mg-Zn合金快速凝固的過(guò)程，采用雙體分布函數(shù)、Honeycutt-Andersen鍵型指數(shù)法、原子團(tuán)類型指數(shù)法(CTIM)以及遺傳追蹤法等微觀結(jié)構(gòu)表征方法，研究微觀結(jié)構(gòu)的演變特征。
　　對(duì)液態(tài)Mg70Zn30合金進(jìn)行快速凝固模擬，深入研究非晶態(tài)結(jié)構(gòu)大團(tuán)簇的形成過(guò)程。研究顯示：在冷卻速度1×1012 K·s-1下的凝固過(guò)程中，體系結(jié)構(gòu)組態(tài)發(fā)生了變化，Zn-Z

2、n原子間的成鍵概率增加明顯，且1551、1541和1431三種非晶態(tài)鍵型占主導(dǎo)地位，其中1551鍵型相對(duì)原子能量較低且出現(xiàn)概率高，對(duì)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的形成起決定性作用。在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中，二十面體基本原子團(tuán)顯著增加，成為體系主要的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。通過(guò)追蹤大團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)中、小團(tuán)簇結(jié)構(gòu)之間相互競(jìng)爭(zhēng)與兼并，最終形成以二十面體為主體的大團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。
　　在材料凝固過(guò)程中，不同的初始溫度和成分比例會(huì)導(dǎo)致凝固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。研究6種不同初始溫

3、度和9種不同成分在快速凝固過(guò)程中對(duì)Mg-Zn合金微觀結(jié)構(gòu)的影響。模擬結(jié)果指出，不同初始溫度對(duì)于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)(1551鍵型、二十面體、平均配位數(shù))有不同程度的影響。這些參數(shù)呈現(xiàn)出非線性的特征，但這種非線性在一定范圍內(nèi)漲落，并且波動(dòng)幅度隨著初始溫度的降低而減少。此外，初始溫度對(duì)于能量變化卻是線性關(guān)系，初始溫度越高，體系的平均原子能量越低，也就是說(shuō)，初始溫度越高體系會(huì)得到更穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的非晶形成能力。而對(duì)于不同成分，偏雙體分布

4、函數(shù)gZn-Zn(r)的第一個(gè)峰值在降溫過(guò)程中超出gMg-Mg(r)，兩者的曲線交叉點(diǎn)出現(xiàn)在非晶態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域。并且不同成分的凝固體系形成的二十面體數(shù)目存在明顯差異。
　　在研究Mg-Zn合金非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)體系團(tuán)簇結(jié)構(gòu)以二十面體為主，并且雙體分布函數(shù)第二峰都會(huì)出現(xiàn)裂峰。基于兩者作為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特征，研究二十面體對(duì)雙體分布函數(shù)裂峰的影響。建立一個(gè)理想二十面體模型，分析二十面體的幾何特征發(fā)現(xiàn)，其表面原子之間的距離比中心原子到近鄰原子的

5、距離要長(zhǎng)，因此，半徑較小的Zn原子作為二十面體的中心更合適。此外，二十面體通過(guò)四種方式連接，其中兩個(gè)二十面體共心連接在降溫過(guò)程中增長(zhǎng)最快，成為主要的連接方式。共心的兩個(gè)二十面體，以一端原子為頂點(diǎn)計(jì)算到各層近鄰原子的距離，發(fā)現(xiàn)與雙體分布函數(shù)各峰值出現(xiàn)的位置相符合，證實(shí)二十面體對(duì)雙體分布函數(shù)第二峰的分裂有著重要影響。
　　基于單個(gè)二十面體以及共心二十面體的分析，模擬10000000個(gè)原子的Mg70Zn30合金體系快速凝固的過(guò)程，進(jìn)一步

6、研究大尺寸的二十面體中程序結(jié)構(gòu)及其演變特性。分析非晶態(tài)結(jié)構(gòu)得知，二十面體中程序結(jié)構(gòu)的尺寸分布概率較高的形成奇數(shù)幻數(shù)系列：n=19，23，27，29，31，33，35，37，41，43，……。二十面體中程序結(jié)構(gòu)包含三棱錐混合結(jié)構(gòu)模型、菱形混合結(jié)構(gòu)模型、三角形混合結(jié)構(gòu)模型和鏈狀結(jié)構(gòu)模型四種結(jié)構(gòu)模型，它們單獨(dú)或者組合一起存在于系統(tǒng)中。接著，對(duì)由1-5個(gè)二十面體組成的中程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)1-3個(gè)二十面體組成的中程序結(jié)構(gòu)在降溫過(guò)程中除了從上一