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

1、本文首先對液態(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)金屬凝固過程中的計算機模擬研究的進展進行了簡要概述，然后對本文模擬研究方法及微觀結(jié)構(gòu)表征方法進行了詳細介紹，并對本文所采用的模擬方法的可靠性通過與實驗值的比較進行了驗證。最后，本文采用分子動力學模擬方法，并結(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-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程中微觀結(jié)構(gòu)的演變機理。
　　 模擬研究了冷速對液態(tài)金屬Pb凝固過程中微觀團簇結(jié)構(gòu)演變的影響，結(jié)果表明：冷速對凝固的最終結(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。當以高于此臨界冷速凝固時，系統(tǒng)形成以1551，1541和14

3、31為主的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；而當以低于此臨界冷速凝固時，系統(tǒng)最終形成以1421和1422鍵型(或基本原子團(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穩(wěn)定相fcc晶體結(jié)構(gòu)。
　　 為了進一步研究凝固過程微觀結(jié)構(gòu)演變及bcc-hcp、bcc-fcc晶格轉(zhuǎn)變機制，本文對

4、包含10000個Pb原子的較大體系以5×1011K·s-1冷速的快速凝固過程進行了模擬。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)出相互競爭的趨勢。本文采用團簇跟蹤法再現(xiàn)了該轉(zhuǎn)變過程，并從模擬上驗證了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)變機制和Bain(貝茵)轉(zhuǎn)變機制；這就對理論和實驗進行了有力的補充。研究同時發(fā)現(xiàn)，在快速加熱的過程中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。
　　 對過冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫弛豫過程進行了模擬，繼續(xù)采用團簇類型指數(shù)法和團簇跟蹤法等對等溫晶化過程中bcc相的形成和演變特性進行了分析，研究結(jié)果表明：等溫晶化過程中，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程的起始溫度和結(jié)構(gòu)，而在較高溫度下，即過冷液態(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上更為穩(wěn)定的hcp結(jié)構(gòu)，而當溫度進一步降低到153 K以下時，bcc，hcp和fcc相將同時增長；從自由能形成勢壘的角度，本文對這一現(xiàn)象進行了清晰的解釋，在高溫下bcc相的自由能形成勢壘最低，因此最容易形成并占絕對優(yōu)勢，而隨著溫度的降低，hcp和fcc相的自由

7、能形成勢壘降低，因此在低溫下這兩個相更容易形成。受結(jié)構(gòu)起伏和動力學因素的影響，雖然自由能形成勢壘最低的原則在相變過程中是最大趨勢，但也會有一些例外的情況發(fā)生，如本文模擬的233 K。
　　 在前文的工作基礎上，進一步采用MSD，NGP等動力學參數(shù)對系統(tǒng)在等溫晶化過程中的動力學特性進行了分析，對動力學特性與微觀結(jié)構(gòu)演變之間的關(guān)系進行了研究，并相應給出了較為清晰的物理解釋。通過對過冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫弛豫過程中動力學特性研究發(fā)

8、現(xiàn)，在過冷液態(tài)和非晶態(tài)金屬Pb等溫晶化過程的初始階段，系統(tǒng)表現(xiàn)出了明顯的動力學非均勻性：并且，溫度越低，動力學非均勻性越明顯。根據(jù)晶化過程中的熱力學，動力學和微觀結(jié)構(gòu)隨弛豫時間的演變特性，我們得到了金屬Pb溫度時間轉(zhuǎn)變動力學圖。并且，通過對273 K溫度下等溫晶化過程動力學特性的細致研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)演變與系統(tǒng)動力學特性的演變可以有效地聯(lián)系起來：在β-弛豫階段，受“籠子效應”的影響，系統(tǒng)只能進行局域原子團的整體運動，而無法進行擴散型