液態(tài)金屬鉛凝固過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)演變特性的模擬研究.pdf

1、本文首先對(duì)液態(tài)和非晶態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)特征，凝固的基本理論，非晶晶化理論，金屬的固態(tài)相變，以及液態(tài)金屬凝固過(guò)程中的計(jì)算機(jī)模擬研究的進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，然后對(duì)本文模擬研究方法及微觀結(jié)構(gòu)表征方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)本文所采用的模擬方法的可靠性通過(guò)與實(shí)驗(yàn)值的比較進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，并結(jié)合雙體分布函數(shù)、鍵型指數(shù)法和團(tuán)簇類型指數(shù)法(CTIM-2)等微觀結(jié)構(gòu)表征方法，以及均方位移(Mean Square Displaceme

2、nt，MSD)，非高斯參數(shù)(Non-Gaussian Parameter，NGP)等時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù)從不同角度，系統(tǒng)研究了液態(tài)金屬鉛(Pb)在不同條件下凝固過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理。
　　 模擬研究了冷速對(duì)液態(tài)金屬Pb凝固過(guò)程中微觀團(tuán)簇結(jié)構(gòu)演變的影響，結(jié)果表明：冷速對(duì)凝固的最終結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用，液態(tài)金屬Pb形成非晶的臨界冷速在5×1012與1×1012K·s-1之間。當(dāng)以高于此臨界冷速凝固時(shí)，系統(tǒng)形成以1551，1541和14

3、31為主的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；而當(dāng)以低于此臨界冷速凝固時(shí)，系統(tǒng)最終形成以1421和1422鍵型(或基本原子團(tuán)(1200066)和(12000120))為主的hcp和fcc共存的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。冷速不僅決定系統(tǒng)最終形成晶態(tài)還是非晶態(tài)，而且還影響到晶體中不同結(jié)構(gòu)的相對(duì)比例；冷速越低，fcc結(jié)構(gòu)所占的比例越大，即系統(tǒng)越傾向于形成熱力學(xué)穩(wěn)定相fcc晶體結(jié)構(gòu)。
　　 為了進(jìn)一步研究凝固過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)演變及bcc-hcp、bcc-fcc晶格轉(zhuǎn)變機(jī)制，本文對(duì)

4、包含10000個(gè)Pb原子的較大體系以5×1011K·s-1冷速的快速凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：隨著溫度的降低，系統(tǒng)經(jīng)歷了兩次相變，一次是液固相變，即從液態(tài)晶化形成亞穩(wěn)bcc相，第二次是固固相變，即亞穩(wěn)bcc相再轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上更為穩(wěn)定的hcp和fcc共存的晶體結(jié)構(gòu)；并且，hcp和fcc相表現(xiàn)出相互競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)。本文采用團(tuán)簇跟蹤法再現(xiàn)了該轉(zhuǎn)變過(guò)程，并從模擬上驗(yàn)證了bcc-hcp和bcc-fcc轉(zhuǎn)變分別遵從由Dmitriev等人修訂后的Bu

5、rgers(貝格斯)轉(zhuǎn)變機(jī)制和Bain(貝茵)轉(zhuǎn)變機(jī)制；這就對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有力的補(bǔ)充。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在快速加熱的過(guò)程中hcp和fcc共存相將重新轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷豣cc相，即在金屬Pb中馬氏體轉(zhuǎn)變是可逆的。
　　 對(duì)過(guò)冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫弛豫過(guò)程進(jìn)行了模擬，繼續(xù)采用團(tuán)簇類型指數(shù)法和團(tuán)簇跟蹤法等對(duì)等溫晶化過(guò)程中bcc相的形成和演變特性進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：等溫晶化過(guò)程中，亞穩(wěn)bcc相最先形成并起到了重要的晶化先驅(qū)的作用；bc

6、c相的穩(wěn)定性密切依賴于等溫過(guò)程的起始溫度和結(jié)構(gòu)，而在較高溫度下，即過(guò)冷液態(tài)區(qū)，bcc相在本文的模擬范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而在較低溫度下，即非晶態(tài)區(qū)，bcc相先形成但最終將部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上更為穩(wěn)定的hcp結(jié)構(gòu)，而當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到153 K以下時(shí)，bcc，hcp和fcc相將同時(shí)增長(zhǎng)；從自由能形成勢(shì)壘的角度，本文對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了清晰的解釋，在高溫下bcc相的自由能形成勢(shì)壘最低，因此最容易形成并占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而隨著溫度的降低，hcp和fcc相的自由

7、能形成勢(shì)壘降低，因此在低溫下這兩個(gè)相更容易形成。受結(jié)構(gòu)起伏和動(dòng)力學(xué)因素的影響，雖然自由能形成勢(shì)壘最低的原則在相變過(guò)程中是最大趨勢(shì)，但也會(huì)有一些例外的情況發(fā)生，如本文模擬的233 K。
　　 在前文的工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用MSD，NGP等動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)在等溫晶化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，對(duì)動(dòng)力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并相應(yīng)給出了較為清晰的物理解釋。通過(guò)對(duì)過(guò)冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫弛豫過(guò)程中動(dòng)力學(xué)特性研究發(fā)

8、現(xiàn)，在過(guò)冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫晶化過(guò)程的初始階段，系統(tǒng)表現(xiàn)出了明顯的動(dòng)力學(xué)非均勻性：并且，溫度越低，動(dòng)力學(xué)非均勻性越明顯。根據(jù)晶化過(guò)程中的熱力學(xué)，動(dòng)力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)隨弛豫時(shí)間的演變特性，我們得到了金屬Pb溫度時(shí)間轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖。并且，通過(guò)對(duì)273 K溫度下等溫晶化過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性的細(xì)致研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)演變與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的演變可以有效地聯(lián)系起來(lái)：在β-弛豫階段，受“籠子效應(yīng)”的影響，系統(tǒng)只能進(jìn)行局域原子團(tuán)的整體運(yùn)動(dòng)，而無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)散型