超常条件下熔体的结构演变

摘要

本文采用分子动力学(MD)模拟的方法，利用EAM、TB作用势，对压力、剪切力等超常条件下金属的微观结构演变及过冷液体的动力学参数进行了研究。 在不同压力下分别以TB和EAM作用势对纯金属Au和NiAl合金的快速冷却过程进行了MD模拟，结果表明，压力对液态体系的结晶/非晶转变过程有很大的影响，压力不同，体系的冷却产物有很大的差别，体系偶分布函数的变化更加清晰的体现了这一点。高压使团簇尺寸缩小，原子的最近邻距离减小。在冷却过程中团簇的种类和数量在不同的压力下也发生了不同的变化，通过键对分析可以看出，当压力低于某一数值时，表征二十面体结构的1551、1541键对能够形成并保留至低温，压力对非晶结构的形成起了促进作用，低温下体系转变为非晶结构，且玻璃转变温度随压力呈线性增长；压力超过该值时，体系在快速冷却过程中结晶趋势增强，体系低温下将生成晶体。高压作用下液态体系的结构变得更加复杂，体系在快速冷却后结构发生了明显改变。 采用J.Mei的EAM作用势对液态Al在不同剪应力条件下的结构变化进行了模拟。体系以6.25×1012K/s的冷速从1500K冷却至400K，当向体系施加剪切力时，连续的能量-温度曲线上出现陡降，剪切体系最终在低温下形成晶体结构，能量发生突降时的转变温度随剪切力的增大而升高，这是局部能量壁垒降低的结果。通过偶分布函数发现，剪切力的加入提高了高温液态体系的无序度，使原子最近邻距离减小；从键对分析的结果中发现，在非剪切体系中表征FCC晶体结构的1421键对在低温下占主要地位；而在剪切体系中，晶体结构和二十面体结构数量相当，当温度低于800K时，体系中有相当数量的标志BCC晶体结构的1661+1441键对。剪切力加入后体系结构发生了明显的改变，正是这种结构的转变导致了体系的能量发生突变。 对纯Ni体系在两种不同冷却条件下的动力学参数进行了模拟计算，对过冷液体驰豫、结晶、非晶形成之间的关系进行了初步的探讨。MD模拟结果表明，冷却速度对体系的凝固产物有重要的影响，当冷速为1.9×1012K/s时，体系在低温下形成晶体，凝固温度Ts约为990K；而冷速为5.7×1012K/s时，体系冷却形成非晶态，玻璃转变温度Tg约为670K。计算了不同温度下三种相关函数MSD、Fs(k，t)和NGP随时间变化的数值，由此确定了体系冷却过程的基本弛豫过程。弛豫与结晶、非晶形成之间彼此密切相关，在非晶转变过程中，原子通过平衡位置附近的扩散重排达到最终的亚稳态，液体动力学发生停滞的β弛豫区对非晶的形成有重要的影响，在β弛豫区内原子的运动受到短时局限，体系的不均匀性最大；冷速较慢时β弛豫和α弛豫的时间很短，体系进入α弛豫区后很快将通过原子的非扩散重组来实现其形核、结晶过程。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

本文创新与主要贡献

第一章绪论

第二章实验方法和数据处理

第三章高压作用下合金熔体的结晶与非晶转变行为

第四章剪应力作用下的金属熔体结构

第五章过冷液体驰豫、结晶与非晶形成

第六章结论

致谢

附录