液態(tài)金屬鈉凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)演變及表征的模擬研究.pdf

1、本文采用分子動力學模擬方法，結(jié)合雙體分布函數(shù)、鍵型指數(shù)法和團簇類型指數(shù)法(CTIM)等微觀結(jié)構(gòu)表征方法，以及基于CTIM的團簇跟蹤技術(shù)，從微觀結(jié)構(gòu)的不同方面，系統(tǒng)研究了液態(tài)金屬Na在不同條件下凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)的形成和演變機理。并根據(jù)模擬研究的結(jié)果，對一些重要實驗現(xiàn)象和凝固理論進行了微觀解釋。 對液態(tài)金屬Na在不同冷速和熔體初始溫度條件下的凝固過程進行了模擬，考察了不同熱歷史條件對凝固過程微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，冷速對凝固過程

2、中微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變起關(guān)鍵性作用，當液態(tài)金屬Na以1×1014 K/s和1×1013 K/s的冷速凝固時，形成以二十面體和缺陷二十面體基本原子團為主體的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；而在以以l×1012 K/s和1×1011 K/s的冷速凝固時，形成bcc晶體結(jié)構(gòu)。形成非晶的臨界冷速約為1013 K/s。不同熔體初始溫度對凝固結(jié)構(gòu)晶化程度有明顯影響，這種影響隨熔體初始溫度的降低呈非線性變化關(guān)系，但影響程度存在一個上、下限的范圍。發(fā)現(xiàn)在液固轉(zhuǎn)變溫度(Tg和Tc

3、)以上，不同冷速和熔體初始溫度熱歷史條件對微觀結(jié)構(gòu)的影響并不明顯；但在液固轉(zhuǎn)變溫度以下，不同熱歷史條件對微觀結(jié)構(gòu)的影響就明顯、充分地表現(xiàn)出來。根據(jù)這一特點，有可能建立另一種確定Tg和Tc的新方法。 進一步對包含50000個Na原子的較大體系的快速凝固過程進行了模擬，研究了快速凝固過程團簇結(jié)構(gòu)的形成特性和演變機理。結(jié)果表明，液態(tài)金屬Na和Al在快速凝固過程中，其團簇結(jié)構(gòu)的演變有相似之處，又各有其特征。CTIM與H．A鍵型指數(shù)法相比

4、，更能有效識別兩者的差異所在。這展現(xiàn)了CTIM對識別和表征團簇結(jié)構(gòu)的有效性，它將為研究液態(tài)金屬凝固過程中團簇結(jié)構(gòu)的形成和演變特性提供一條新途徑?？焖倌探Y(jié)構(gòu)中納米團簇的形成經(jīng)歷了一個復(fù)雜的演變過程：從高溫液態(tài)中極不穩(wěn)定的較小尺度原子團，經(jīng)歷了過冷液態(tài)中相對較穩(wěn)定的中等尺度原子團，到Tg以下中等尺度原子團相互兼并而形成。金屬Na體系比Al更容易形成納米團簇，并且這些納米團簇的結(jié)構(gòu)顯著不同于那些由氣相沉積、離子濺射等方法所獲得的團簇結(jié)構(gòu)。

5、 對包含10000個Na原子體系的凝固結(jié)晶過程進行了模擬，跟蹤研究了結(jié)晶過程晶核的形成機理。液態(tài)金屬Na晶化過程中，體系微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變從過冷液態(tài)中二十面體和缺陷二十面體為主體的結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了Tc附近的缺陷bcc結(jié)構(gòu)，到最后的接近完整bcc結(jié)構(gòu)。團簇的能量和幾何因素對凝固過程中最有利形成的微觀結(jié)構(gòu)組態(tài)同時起關(guān)鍵性作用。體系中晶核的形成會經(jīng)歷很多不同的形核路徑，團簇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸對臨界晶核的形成同時起關(guān)鍵性作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異會引起臨

6、界晶核尺寸的不同。臨界晶核呈非球狀形貌，并且包含部分亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。由模擬所得到的臨界晶核尺寸，與經(jīng)典形核理論的預(yù)測差別不大。在過冷液態(tài)金屬Na恒溫晶化過程，通過團簇跟蹤分析所獲得的結(jié)晶量隨時間的變化關(guān)系，滿足Johnson-Mehl-Avrami(JMA)結(jié)晶動力學規(guī)律。這一方面從原子層次出發(fā)驗證了基本凝固理論的正確性，另一方面也說明了基于CTIM的團簇跟蹤分析方法的有效性。 對包含10000個原子的非晶態(tài)金屬Na體系等溫退火過程

7、進行了模擬，跟蹤研究了非晶態(tài)金屬Na晶化過程形核和長大機理。非晶態(tài)金屬Na等溫退火形核過程中，經(jīng)歷了二十面體和缺陷二十面體團簇結(jié)構(gòu)逐漸解體，接著具有bcc對稱性結(jié)構(gòu)的團簇逐漸形成的過程。同時只有當具有bcc對稱性結(jié)構(gòu)團簇的尺寸達到某一臨界尺寸時，才能成為穩(wěn)定晶核。非晶態(tài)金屬Na的晶化過程與其深過冷熔體結(jié)晶過程類似，呈現(xiàn)形核、長大和晶粒粗化三個階段特征。通過對比不同分析方法所得到的結(jié)果可見，基于CTIM的團簇跟蹤分析更能準確區(qū)分晶化過程的