金屬形核及固-液界面能的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、固/液界面能是過(guò)冷熔體形核/生長(zhǎng)理論中極其重要的物理量，它對(duì)于凝固過(guò)程中的形核速率和生長(zhǎng)速度及界面結(jié)構(gòu)有重要影響。金屬的固/液界面能的深入理解對(duì)于理解熔體形核及生長(zhǎng)過(guò)程有很大幫助。本文將形核過(guò)程和固/液界面能作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看待。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)全面地研究了Ag、Cu、Ni體系的固/液界面能及形核方式；同時(shí)采用分子動(dòng)力學(xué)方法詳細(xì)地研究了Ag、Cu、Ni的均質(zhì)形核過(guò)冷、形核前熔體的晶胚結(jié)構(gòu)同晶核結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)、以及Ni50Cu50異質(zhì)形核過(guò)程。取得

2、的主要成果有：
　　 本文通過(guò)在真空電磁感應(yīng)加熱裝置中采用熔融玻璃凈化+循環(huán)過(guò)熱的方法對(duì)Ag、Cu、Ni的過(guò)冷規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。采用合適的凈化工藝，使其分別獲得了263K、257K、340K的過(guò)冷度。采用最大過(guò)冷度法，我們計(jì)算得到在這些過(guò)冷度下對(duì)應(yīng)的固/液界面能值分別為：0.1388Jm-2、0.1939Jm-2、0.27631Jm-2。這和有關(guān)固/液界面能模型所預(yù)測(cè)的界面能吻合得很好。為了判定這些金屬的形核方式，我們通過(guò)相

3、關(guān)固/液界面能模型計(jì)算得到了實(shí)際工藝參數(shù)下的均質(zhì)形核過(guò)冷度，也和我們得到的實(shí)驗(yàn)值很接近，表明了在這些過(guò)冷度下，Ag、Cu、Ni的形核方式接近均質(zhì)形核。另外，我們對(duì)Ag、Cu、Ni的均質(zhì)形核過(guò)冷采用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了模擬。結(jié)果表發(fā)現(xiàn)：模擬得到的形核過(guò)冷度同有關(guān)界面能的理論預(yù)測(cè)相吻合。通過(guò)采用EAM多體勢(shì)函數(shù)，對(duì)銀形成非晶的冷卻速度范圍進(jìn)行了分子動(dòng)力模擬，在此基礎(chǔ)上研究了銀熔體中亞臨界晶核的結(jié)構(gòu)、銀凝固過(guò)程結(jié)晶相的結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系。

4、結(jié)果表明：在一定的冷卻速度范圍內(nèi)，銀熔體凝固后得到的組織是晶體團(tuán)簇與非晶組成的混合體，最大晶體團(tuán)簇尺寸隨著冷速的增加而減?。汇y凝固過(guò)程中的晶體團(tuán)簇和結(jié)晶后的晶體是由面心立方fcc和密排六方hcp構(gòu)成的層狀偏聚結(jié)構(gòu)。銀熔體結(jié)晶后由面心立方和密排六方構(gòu)成的層狀組織偏聚結(jié)構(gòu)起源于熔體中的晶胚，在形核階段就已經(jīng)生成，并非在生長(zhǎng)階段才開始產(chǎn)生。采用不同強(qiáng)度形核基底-合金作用勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)冷Ni50Cu50熔體均質(zhì)和異質(zhì)形核過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬。結(jié)

5、果發(fā)現(xiàn)：異質(zhì)形核時(shí)臨界晶核的形狀并非球冠狀，因此用經(jīng)典形核理論中的潤(rùn)濕角因子無(wú)法表征異質(zhì)形核基底的形核能力；異質(zhì)形核時(shí)晶核與形核基底之間存在原子間距數(shù)量級(jí)大小的間隙δ，δ隨晶核與形核基底間差異的增大而增大，δ可用來(lái)衡量形核基底對(duì)熔體的形核能力；隨δ的減小，形核孕育時(shí)間縮短、臨界晶核中的原子數(shù)減少；模擬得到的無(wú)量綱原子數(shù)同異質(zhì)形核的無(wú)量綱形核孕育時(shí)間的對(duì)數(shù)近似呈線性關(guān)系，表明用臨界晶核中的原子數(shù)因子取代潤(rùn)濕角因子后，經(jīng)典形核理論與模擬結(jié)果