液态Ca50Zn50合金凝固过程中微观结构演变的模拟研究

摘要

本文采用分子动力学方法，对液态合金Ca50Zn50的凝固过程进行了模拟研究。结合双体分布函数法、化学短程序参数法、键型指数法、原子团类型指数法(CTIM)和微观可视化等方法深入分析了系统在快速凝固过程中微观结构的演变及其机理。
　　首先，本文模拟研究了冷速对液态合金Ca50Zn50凝固过程中微观结构演变的影响，结果表明：冷速对系统的微观结构演变具有重要影响，冷速为1×1014K/s，1×1013/s，1×1012K/s和5×1011K/s时，体系是以二十面体(12012000)为主的非晶态结构。冷速5×1011K/s是Ca50Zn50系统形成晶态原子结构的临界冷速，在冷速大于临界冷速时，二十面体数量随着冷速降低而增加；冷速为1×1011K/s和5×1010K/s时，所得到的晶态结构以亚稳相为主，Zn原子形成bcc结构，部分Ca原子形成hcp和fcc结构，冷速越小晶态基本原子团数量越多。
　　本文进一步对包含10000个原子的液态合金Ca50Zn50以1×1013K/s的冷速凝固过程进行了模拟，探讨了系统中短程有序结构及中程有序结构特点。发现系统中总双体分布函数曲线跟经典的双体分布函数曲线不同，Ca、Zn原子半径的差异导致总双体分布函数第一峰分裂成三个小峰，所形成的基本原子团中心原子以小原子Zn为主，其配位数集中在9到12之间。二十面体的变化最大且含量最多，也是短程有序连结形成中程有序结构的基础。高温液态中大多数团簇以点共用(VS)、线共用(ES)和面共用(FS)方式结合，固态的非晶体中大团簇之间以交叉共用(IS)的方式结合。

目录

文摘

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插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 液态金属以及非晶态金属的结构

1.2.1 一般特征

1.2.2 非晶态金属的模型

1.3 液态金属快速凝固理论

1.3.1 动力学急冷技术

1.3.2 热力学深过冷快速凝固技术

1.3.3 快速定向凝固技术

1.4 液态金属的计算机模拟研究及其进展

1.5 本研究工作的目的及主要内容

第2章 分子动力学模拟方法及微观结构的表征

2.1 前言

2.2 分子动力学模拟方法

2.2.1 基本原理

2.2.2 初始体系的设置

2.2.3 算法

2.2.4 周期性边界条件

2.3 赝势

2.4 结构分析方法

2.4.1 双体分布结构

2.4.2 键型指数法

2.4.3 原子团类型指数法

2.4.4 三维可视化分析

2.5 本模拟的可靠性分析

2.6 本章小结

第3章 冷速对液态合金Ca50Zn50快速凝固过程中微观结构演变的影响

3.1 引言

3.2 模拟条件的计算与方法

3.3 模拟计算结果与分析

3.3.1 能量分析

3.3.2 双体分布函数分析

3.3.3 HA键型指数分析

3.3.4 团簇指数法分析

3.3.5 可视化分析

3.4 本章小结

第4章 非晶态Ca50Zn50合金在快速凝固过程中的原子团簇结构演变特征

4.1 引言

4.2 模拟方法

4.3 结果与分析

4.3.1 双体分布函数分析

4.3.2 键型指数分析

4.3.3 团簇指数法分析

4.3.4 大团簇的形成及可视化分析

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文)