铝中氢行为的计算机模拟研究

摘要

氢在铝及其熔体中被认为是一种有害元素，由于氢的溶解度在熔体中和固体中有很大的差别，铝在凝固过程中会析出氢气导致组织中产生气孔并降低铸件的疲劳寿命。本文通过计算机模拟技术对铝中氢的行为进行了全面的研究，包含了氢作为气体杂质元素在金属铝中运动的全部过程。
　　 本文基于铝熔体与氢的相互作用的几个过程的分析，包括:熔体吸氢、氢在铝熔体中的扩散、熔体凝固过程中析氢以及氢气泡长大等过程。探讨了各个影响因素（时间、温度等）对熔体吸氢的作用，建立了相互作用的关系式，并研究了氢阻R与氢扩散系数的关系，分析了影响氢阻R的诸多因素。研究结果表明，在恒温条件下，熔池析氢的速度只与其深度有关，熔池越深，析氢速度越慢。通过对整个凝固过程的分析得出采用常规手段处理后的熔体在凝固过程中气体析出，形成气孔敏感性极大，而析出气体以非自发形核（异质形核）生成气泡。
　　 本文通过实验检测，研究铝熔体吸氢规律与熔体过热温度的关系。采用分子动力学模拟铝熔体相关结构性质，计算其粘度，并从在不同温度下的铝熔体的结构以及粘度等性质改变导致铝熔体吸氢变化等规律进行了探索。发现铝熔体中氢含量和温度的关系和熔体粘度的变化相对应，都在计算得出的熔体结构突变的温度区间内产生异常。本文认为铝熔体的原子排布规律对氢在其中的溶解产生了一定的影响，这个影响分为两个方面:第一，随着温度升高，熔体中铝原子与近邻原子间距变大，配位数减小，熔体内部自由体积增加，溶氢的能力增强，导致熔体氢含量的上升，然而部分温度的结构突变带来自由体积的突然变化，因此氢含量会产生波动;第二，原子热运动的增强导致原子间相互作用减弱，因此在一定温度范围内，粘度值随温度升高而逐渐降低，熔体粘度突变的温度点也反应了原子团簇内的原子排列方式发生了突然变化，附近亦存在吸氢的突变。铝熔体中氢含量的变化是熔体结构变化外在表现。
　　 采用从头算分子动力学方法，研究熔体铝中杂质气体元素的存在形态及相互作用机制，揭示气体元素分布与扩散规律。通过实验证明了氯对铝熔体除气的增强效应，并通过模拟比较无氯和含氯铝熔体体系中氢原子的运动行为，阐明了活性气体在除气过程中的作用机理。采用从头算法以及从头算分子动力学方法研究了氢在固体和熔体铝中的扩散行为。通过分析氢在铝晶体中的能量状态以及扩散过程，从原子尺度解释了氢在固态铝中的驻点选取和铝晶体中结构缺陷的关系。
　　 通过对氢在铝熔体中的扩散以及氯对氢扩散影响的从头算分子动力学等研究，解释了铝熔体除氢时氯气的作用。氢在铝熔体中的扩散受到铝和氯共同影响。在其扩散过程中，氯原子降低了周围氢原子的扩散激活能垒，使得铝原子与氢原子的碰撞几率减小导致铝原子对氢扩散的阻碍被降低。另一方面，考虑到现实情况下的熔体会氧化，因此本文对含氧的体系也进行了分析发现氯的加入明显改变了氧化物中氧的扩散活性，可以说在一定程度上破坏了氧化物的稳定性，从而提高了氢在熔体中的扩散能力。
　　 通过对氢在固体铝中的扩散路径以及空位对氢扩散影响的从头算法和从头算分子动力学等研究，从动力学的角度描述了空位束缚效应如何具体影响氢原子在铝中的扩散。研究结果表明，一般情况下，四面体间隙是氢在铝晶体中较为稳定的驻点。铝晶体存在空位时，由于氢的扩散受到空位束缚效应影响，任何远离空位方向的氢扩散都会遭遇较大的扩散能垒。当氢原子扩散远离空位后，空位束缚效应极大地减弱。空位积累的畸变能只能通过俘获附近的氢原子得到释放，远离空位的氢原子对其影响甚微。同时，动力学过程的分析着重研究了升温和氢扩散的关系，结果表明氢的扩散受到温度和空位浓度两个作用得共同耦合结果的影响。通过进一步计算得出空位周围的多面体间隙与氢扩散的关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 金属中的气体概述

1．2．1 金属中气孔定义和特征

1．2．2 金属中气孔的来源和危害

1．2．3 金属中气体的溶解度

1．3 铝熔体除氢的理论基础

1．3．1 铝熔体中氢的来源

1．3．2 铝熔体中氢的溶解度

1．3．3 氢在铝及铝合金中的扩散

1．4 铝熔体除氢技术概述

1．4．1 固体精炼剂

1．4．2 气体精炼剂

1．4．3 精炼设备发展概况

1．4．4 测氢技术

1．5 计算机模拟在材料科学中的应用

1．5．1 分子动力学

1．5．2 从头算法量子理论基础以及实现途径

1．6 铝中氢的研究概况以及本文的研究意义

参考文献

第2章 铝熔体吸氢、氢扩散及析出的宏观研究

2．1 引言

2．2 铝熔体吸氢特性研究

2．2．1 实验方法

2．2．2 熔体温度、静置时间对吸氢的影响

2．3 氢扩散的普适性分析

2．4 熔体的析氢分析

2．5 熔体凝固过程中的析氢分析

2．6 析出氢气泡核的生长

2．6．1 气泡形核理论

2．7 本章小结

参考文献

第3章 铝熔体吸氢与熔体结构关系的分子动力学研究

3．1 引言

3．2 熔体的计算机模拟

3．2．1 EAM势的应用

3．2．2 周期性边界条件的应用

3．2．3 初始体系的构建和原子初始速度分布

3．2．4 系综的确定

3．2．5 偶对分布函数

3．2．6 热力学参数的表征

3．3 实验与计算方法

3．3．1 测氢实验

3．3．2 分子动力学计算方法

3．3．3 粘度的分子动力学计算方法

3．4 结果分析讨论

3．5 本章小结

参考文献

第4章 氯在铝熔体除氢中作用的从头算分子动力学研究

4．1 引言

4．2 氯的除气增强效应测试实验

4．2．1 实验用除气设备

4．2．2 首次实验的除气效果

4．2．3 第二次实验的除气效果

4．3 从头算起分子动力学建模和参数选取

4．4 计算结果分析与讨论

4．4．1 结构特性分析(模型A和B)

4．4．2 扩散轨迹分析

4．4．3 扩散系数和扩散激活能

4．5 本章小结

参考文献

第5章 氢在铝中的驻点选取倾向性研究

5．1 引言

5．2 研究方法

5．3 结果分析与讨论

5．3．1 含氢铝晶体的形成能

5．3．2 铝晶体的空位形成能以及空位束缚效应

5．3．3 空位束缚效应对氢扩散的影响

5．3．4 铝中氢原子的从头算分子动力学模拟研究

5．3．5 本章小结

参考文献

第6章 结论、创新点以及展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

附录A 分子动力学模拟原胞(500铝原子)原子初始坐标和速度生成代码

附录B 分子动力学模拟原胞(500铝原子)Sutton-Chen EAM势函数运行代码

附录C 偶对分布函数代码

附录D 分子动力学粘度计算代码

在学期间发表的学术论文