金属银熔体快冷过程的计算机模拟

利用分子动力学模拟技术研究了由周期性边界条件控制的500个银(Ag)原子构成的金属Ag熔体快速冷凝过程.冷却速率为8×1013K/s.模拟在FS(Finnis-Sinclair)相互作用势的基础上,通过双体分布函数、键对分析技术、键取向序等多种方法,对液银快速冷凝过程的微观结构转变特性作了分析,给出了连续快速冷凝过程中液银原子间依靠相互作用力形成的独特的微观结构图像.并考察了冷却过程中体系能量和元胞体积随温度的变化.模拟结果表明在快速冷凝过程中液Ag没有形成bcc结构的倾向.     

Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构演化机理的模拟研究

采用分子动力学方法对Al₅₀Mg₅₀合金熔体的快速凝固过程进行了模拟,并采用双体分布函数、键型指数法和原子团类型指数法等方法,从微观结的不同层面对Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构的演化机理进行了深入的分析研究.结果表明：本模拟所获得的Faber-Ziman偏结构因子与实验结果符合较好.Al₅₀Mg₅₀合金熔体具有遗传性,在快速凝固过程形成了非晶态结构,其中二十面体短程序结构对非晶态结构的形成起决定性作用.基于原 关键词： Al-Mg合金熔体 快速凝固过程 分子动力学模拟 微观结构     

二元液态金属Cu-Ni和Ag-Cu凝固过程的分子动力学模拟研究

用Quantum Sutton-Chen多体势对Ag6Cu4和CuNi液态金属凝固过程进行了分子动力学模拟研究.在冷却速率2×1012到2×1014K/s范围内,CuNi总是形成fcc晶体结构,而Ag6Cu4总是形成非晶态结构.考虑到CuNi及AgCu中原子半径之比分别为1.025和1.13,那么模拟结果证实了原子的尺寸差别是非晶态合金形成的一个主要影响因素.此外采用键对及原子多面体类型指数法对凝固过程中微观结构组态变化的分析,不但能说明二十面体结构在非晶态合金形成和稳定性中所起的关键作用,又有助于对液态金属的凝固过程、非晶态结构特征的深入理解.     

用FS多体势模型模拟金属铜的冷却过程

采用常温、常压分子动力学模拟方法模拟了在周期性边界条件下由500个原子构成的液态Cu模型系统的凝固过程,考察了不同降温速率下液态Cu的凝固行为.模拟结果很好地重现了实验值.模拟中原子间作用势采用FS势,结构分析采用双体分布函数、对分析技术、内能、均方位移等方法,得到了原子体系微观结构组态变化的重要信息,并利用能量分析的方法对体系微观结构的变化进行了说明.     

液态Mg7Zn3合金快速凝固过程中微观结构演变机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态Mg₇Zn₃合金的快速凝固过程进行了模拟研究,并采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团类型指数法(CTIM)以及遗传跟踪等方法对凝固过程中团簇结构的形成、演变特性进行了分析.结果表明:在以冷速为1×10¹² K ·s^-1的凝固过程中, Zn-Zn原子之间的相互成键的概率明显增加,形成以1551,1541,1431键型为主的非晶态结构.其特征键型1551随温度变化 关键词： 液态MgZn合金 快速凝固过程 微观结构演变 分子动力学模拟     

急冷条件下Cu-Pb偏晶合金的相分离研究

研究了Cu-Pb偏晶合金的急冷快速凝固和组织形成规律，并通过将金属熔体的热传导方程和Navier-Stokes方程相耦合, 理论分析了合金熔体的冷却速率、液固相变时间等物理参量与液相分离之间的相关性. 研究结果表明，在急冷快速凝固条件下，熔体的快速冷却对偏晶合金组织形成的影响要比熔体内部液相流动的影响更为显著. 快速凝固使液相分离受到抑制，Cu-Pb偏晶合金均可获得均匀的微观组织结构. 随着冷速的增大，晶粒尺寸明显减小，凝固组织显著细化，晶体形态由粗大枝晶向均匀细小的等轴晶过渡. 提高冷却速率，缩短液固相变时间是重力场中抑制液相分离、获得均匀偏晶组织结构的重要条件. 关键词： 偏晶合金 快速凝固 液相分离 微观结构     

金属Ni纳米线凝固行为的分子动力学模拟

采用EAM镶嵌原子作用势，通过经典的分子动力学模拟方法研究了不同冷却速度下的金属Ni纳米线的凝固行为，并给出了纳米线在凝固区域的结构演变过程.利用键对分析技术研究了在不同冷却速度下体系中的原子团簇在降温过程中的变化情况.研究表明，纳米线的凝固起始于表面原子，并且随着冷却速度的降低，Ni纳米线的微观结构从非晶态过渡到多壳螺旋结构，最终达到稳定的面心立方结构.多壳螺旋结构同时具有确定的结晶温度和长程无序、短程有序的非晶结构的特征. 关键词： 纳米线 凝固行为 分子动力学 键对分析     

热镀铜层冷凝过程的分子动力学模拟

采用常温、常压分子动力学模拟方法和FS(Finnis Sinclair)势 ,研究了在周期性边界条件下由 5 0 0个原子构成的液态Cu模型系统的凝固过程 ,考察了不同降温速率下Cu的凝固行为 ,得到了不同温度、不同冷却速率下Cu的双体分布函数 ;采用HA键型指数法统计了各种小原子团在不同温度下所占比例 ,采用键取向序分析了体系降温全过程的局域取向对称性 ,得到原子体系微观结构组态变化的重要信息 ;最后 ,利用能量分析的方法对体系微观结构的变化进行了说明 ,给出了液态Cu冷凝过程中微观结构转变的重要信息 .     

横向限制下凝固微观组织演化的相场法模拟

凝固过程中横向限制挡板的存在对晶体微观结构的演化存在重要的影响, 不同性质的横向挡板将产生不同的限制效应, 对最终凝固微观组织形成起着决定性作用. 本文利用非等温相场模型, 定性地模拟了纯金属Ni凝固过程中横向限制的存在对其枝晶微观形貌演化的影响, 研究了不同尺寸及性质的横向挡板对枝晶微观结构形成的影响, 讨论了横向限制对不同初始枝晶间距枝晶形貌发展的作用. 计算结果表明, 横向限制挡板的存在将直接影响凝固过程中微观组织的形貌演化过程并最终改变微观结构. 随着横向挡板间距的减小, 微观组织变化更加明显; 挡板初始温度越低, 枝晶形貌改变越明显; 初始枝晶间距越大, 形貌变化越明显; 不同挡板高度对微观结构具有基本相同的影响. 关键词： 相场模拟 微观组织演化 横向限制     

熔体初始温度对液态金属Ni凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用量子 Sutton-Chen多体势, 对熔体初始温度热历史条件对液态金属Ni快速凝固过程中微观结构演变的影响进行了分子动力学模拟研究. 采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法、原子团类型指数法和三维可视化等分析方法对凝固过程中微观结构的演变进行了分析. 结果表明: 熔体初始温度对凝固微结构有显著影响, 但在液态和过冷态时的影响并不明显, 只有在结晶转变温度T_c附近才开始充分显现出来. 体系在1×10¹² K/s的冷速下, 最终均形成以1421和1422键型或面心立方(12 0 0 0 12 0)与六角密集(12 0 0 0 6 6) 基本原子团为主的晶态结构. 末态时, 不同初始温度体系中的主要键型和团簇的数目有很大的变化范围, 且与熔体初始温度的高低呈非线性变化关系. 然而, 体系能量随初始温度呈线性变化关系, 初始温度越高, 末态能量越低, 其晶化程度越高. 通过三维可视化分析进一步发现, 在初始温度较高的体系中, 同类团簇结构的原子出现明显的分层聚集现象, 随着初始温度的下降, 这种分层现象将被弥散开去. 可视化分析将更有助于对凝固过程中微观结构演变进行更为深入的研究. 关键词： 液态金属Ni 熔体初始温度 微观结构 分子动力学模拟     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对熔体初始温度热历史条件对液态金属Na凝固过程中微观结构的影响，进行了模拟研究，并采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中的微观结构进行了分析.结果表明：液态金属Na在不同熔体初始温度条件下以1×10¹¹K/s冷速凝固时，均形成晶化结构，其中1661和1441键型或体心立方基本原子团(14 6 0 8)在凝固过程中对微观结构的转变起决定性作用.同时发现：熔体初始温度对凝固微结构有显著影响，而对液态和过冷态的微观结构影响并不明显，只有在晶化起始温度T_c附近才充分地展现出来.不同熔体初始温度对凝固结构的晶化程度有不同的影响，虽其影响程度是随着熔体初始温度的下降呈非线性变化关系的，但仍表明是可以通过改变熔体初始温度来加以控制的.原子团类型指数法(比键型指数法)更进一步表征了晶化体系中原子团的结构特征，将有利于对液态金属凝固过程中微观结构的转变机理进行更为深入的研究.     

液态合金NiAl凝固过程中微观结构转变的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对液态NiAl凝固过程进行了研究 ,考察了不同冷却速度下液态NiAl结构变化特点 ,原子间相互作用势采用F S多体势 ,结构分析采用键取向序和对分析技术 .计算结果表明 ,冷却速度对液态NiAl结构转变有重要影响 ,在不同的冷却速度下 ,NiAl凝固过程出现了明显不同 ,冷速为 4× 10 13 和4× 10 12 K/s时 ,NiAl快速凝固为无序的非晶体结构 ;而在较慢的 8× 10 11K/s冷速下 ,NiAl凝固为晶态结构 .给出了不同冷却速度下液态NiAl结构转变的微观信息 .     

基于灰色马尔科夫模型的团簇数量演变预测方法

本文以分子动力学方法模拟液态Si的凝固过程为基础,首次建立基于马尔科夫修正的灰色预测模型对不同团簇的演变过程进行分析,利用该模型对液态Si降温过程中团簇数量的变化进行预测.结果证实应用灰色马尔科夫模型在对团簇结构的演变预测是可行的,采用马尔科夫链预测方法能提高预测结果的准确性,该方法能有效描述凝固过程中团簇的形成和演变的整体变化规律,为研究材料微观结构演变提供了一种新的思路和方法 .     

冷速对液态金属Mg凝固过程中微观结构演变的影响

采用分子动力学方法对不同冷速下液态金属镁(Mg)快速凝固过程中的微观结构演变进行了模拟研究.并采用能量-温度(E-T)曲线、双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团簇类型指数法(CTIM-3)以及三维可视化等方法系统地考察了凝固过程中微观结构演变与相转变过程.结果发现:在以冷速为1×10~(11)K/s的凝固过程中,亚稳态bcc相优先形成,随后大量解体,其变化规律符合Ostwald规则,系统最终形成以hcp结构为主体与fcc结构共存,中间还夹杂部分bcc结构的致密晶体结构.在1×10~(12)K/s冷速下,结晶过程呈现迟缓现象,形成bcc结构的初始温度降低,系统形成以hcp居多、与bcc和fcc三相共存的结构,且因相互竞争、相互制约而导致不易形成粗大的晶粒结构.而在1×10~(13)K/s冷速下,系统则形成以1551,1541,1431键型为主的多种非晶态基本原子团组成的非晶态结构.此外,在冷速1×10~(12)与1×10~(13)K/s之间的确存在一个形成非晶态结构的临界冷速.     

Cu50Ni50合金快速凝固的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了Cu₅₀Ni₅₀合金在不同冷却速度下的凝固过程,利用均方位移、径向分布函数和结构可视化等方法分析其微观结构.并对凝固模型进行拉伸模拟,通过应力应变曲线和直观结构变化分析其性能.研究表明：冷却速度对Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成的结构有较大影响,随着冷却速度的升高,凝固形成的结构中晶体含量减少,在较低的冷却速度下,如冷却1×10¹²K/s时,Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成晶体结构;在较高的冷却速度下,如1×10¹⁴K/s时,Cu₅₀Ni₅₀合金凝固形成非晶体结构,且非晶Cu₅₀Ni₅₀合金的抗拉性能要优于晶体Cu₅₀Ni₅₀合金.     

AuCu3熔体快速冷却过程中的键对与多面体

利用分子动力学模拟技术研究了由周期性边界条件控制的375个铜原子、125个金原子组成的金属间化合物AuCu3熔体的快速冷凝过程.利用双体分布函数、键对分析技术、多面体等方法详细考察了快速凝固条件下AuCu3中微观组团随温度的演化特点.结果表明,降温至700K左右时双体分布函数第二峰发生劈裂,液态AuCu3金属中产生了非晶态,非晶转变温度约为680K;AuCu3在向非晶转变的过程中,其微观结构组态具有选择性,其中缺陷多面体随温度变化最为剧烈,而hcp与fcc结构对温度不敏感.     

冷速对液态金属Ga凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Ga凝固过程中不同冷却速率对微观结构演变的影响进行了模拟跟踪研究. 运用HA键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了金属原子Ga的成键类型和形成的基本原子团结构. 结果发现，冷却速率对凝固过程中的微观结构起着非常重要的作用. 在以1.0×10¹⁴，1.0×10¹³，1.0×10¹²K/s的速率冷却时，系统形成以与1311，1301键型相关的菱面体结构为主，夹杂着立方体、六角密集等其他团簇结构所构成的非晶态结构；在以1.0×10¹¹K/s的速率冷却时，系统明显发生结晶，其结晶转变温度T_c约为198K，且冷却速率越慢，结晶转变温度T_c越高，形成以与1421键型相关的斜方晶体(经可视化分析确认)为主要构型的晶态结构. 这将为研究液态金属的结晶转变过程提供一种新方法. 关键词： 液态金属Ga 凝固过程 微结构转变 分子动力学模拟     

冷速对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Na在四种不同冷速下的快速凝固过程进行了模拟跟踪研究.采用双体分布函数g(r)曲线、Honeycutt-Andersen键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中微观结构的变化进行了分析.结果表明：冷却速率对微结构的转变有决定性影响，当冷速为1.0×10¹⁴和1.0×10¹³K/s时，系统形成以1551和1541键型或以缺陷多面体基本原子团(13 1 10 2)和二十面体基本原子团(12 0 12 0)为主体的非晶态结构；当冷速为1.0×10¹²和1.0×10¹¹K/s时，系统则形成以1441和1661键型或以体心立方基本原子团(14 6 0 8)为主体的晶态结构.同时发现：不同冷速对液态金属Na在液态和过冷态时微观结构的影响甚小；但不同冷速对其固态(非晶态利晶态)时的微观结构有显著的影响，且要在液-固转变点(分别在玻璃转变温度T_g和晶化起始温度T_c)附近或以后才能充分展现出来.根据这一特点，有可能建立另一种确定液态金属T_g和T_c的新方法.原子团类型指数法比键型指数法更有利于研究液态、非晶态等无序体系和一些晶化体系的具体结构特征. 关键词： 液态金属Na 凝固过程 分子动力学模拟 原子团类型指数法     

压强对液态InGaAs快速凝固过程中微观结构变化的影响

采用分子动力学方法模拟不同压强下液态InGaAs的快速凝固过程,并采用径向分布函数、键角分布函数、配位数统计以及可视化等方法,从微观结构的不同层面分析了压强对凝固过程微观结构的影响机制.结果表明:对于InGaAs体系,压强对最近邻和次近邻的原子排布都有影响,但对次近邻原子排列的影响更为明显,通过次近邻原子键角的调整,使得原子排列更加紧密,体系的短程有序度增强.在原子的配位数结构上,随着压强的增加,部分三配位向四配位发生转变,从而使整个体系达到致密的结构.