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     

冷速对液态金属Pb凝固过程中微观团簇结构演变影响的模拟研究

采用分子动力学方法对六种不同冷却速率对液态金属Pb凝固过程中微观团簇结构演变的影响进行了模拟跟踪研究.采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团类型指数法(CTIM-2)、平均配位数等方法对凝固过程中微观团簇结构的演变进行了分析.结果表明：系统存在一个形成非晶态或晶态结构的临界冷速(介于5×10¹²与1×10¹²之间),大于这个临界冷速时,系统将形成以1551,1541和1431键型为主的非晶态结构;当小于这个临界冷速时,系统将先形成以1441和1661键型或以bcc基本原子团(14 6 0 8 0 0)为主的晶态结构,并稳定存在一段时间,然后又迅速转变为以1421和1422键型为主或以fcc基本原子团(12 0 0 0 12 0)和hcp基本原子团(12 0 0 0 6 6)以一定比例并存的部分晶态结构;同时发现,冷速对系统中fcc结构和hcp结构的相对比例有明显的影响,冷速越低,fcc结构所占的比例越多,越倾向于形成完美的fcc晶态结构. 关键词： 液态金属铅 凝固过程 团簇结构演变 分子动力学模拟     

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     

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     

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     

非晶态合金Cu_xPd_(1-x)形成过程合金效应及微观结构转变特性的模拟研究(英文)

本文根据量子Sutton-Chen多体势,采用分子动力学方法对含有50000个原子大系统液态二元合金Cu_xPd_(1-x)(CuPd的原子半径比为1.14)在快速凝固过程中的微观结构转变特性进行模拟研究.运用Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了液态和固态的微观结构特性.研究结果发现:在7.73×10~(13)K/S冷却速率下,Cu_xPd_(1-x)合金形成以1551、1541和1431三种键型为主的非晶态结构;系统以1551键型和由1551键型构成的(12 0 12 0)二十面体团族在所有的键型和团簇中占主导地位,并且在液态合金Cu_xPd_(1-x)微观结构转变中起着关键性作用.通过分析键型、团簇和平均原子体积,我们发现液态合金Cu_xPd_(1-x)的玻璃转变温度是573K.同时还发现,原子的平均配位数的变化与1551,1441,1661键型的变化趋势相当接近,这反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关.     

Ti75Al25合金微观结构演变的分子动力学模拟

本文利用分子动力学模拟方法,研究了液态Ti₇₅Al₂₅合金在不同冷却条件下形成晶体及非晶的过程(Q1:1.0×10¹³K Ks^-1,Q2:1.0×10¹¹Ks^-1).利用平均原子体积、双体分布函数、键角分布函数、键对分析和Voronoi多面体方法研究了微观局域结构随温度的变化关系.研究发现:在Q1冷却过程中,液态Ti₇₅A1₂₅合金在1000 K发生玻璃化转变,形成非晶结构;而在Q2冷却过程中,液态Ti₇₅Al₂₅合金发生结晶,并最终形成hcp晶体结构.     

液态金属In凝固过程中微观结构转变的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属In的快速凝固过程进行计算机模拟跟踪研究.运用HA键型指 数法和原子成团类型指数法分析了金属原子In的成键类型和形成的原子团簇结构.发现：与通常的液态金属(如Al)相反，随着温度的降低，二十面体及与二十面体相关的1 551 键越来越少；与四方体，六角密堆积相关的1421，1422和1431键数目总和变化很小；而与菱 面体相关的132l，1311，1301和1201的数目却随着温度的降低而显著增加，逐渐占据优势 .最后形成一种新型的以菱面体结构为主、夹杂着立方体(fcc，bcc) 关键词： 液态金属In 微结构转变 团簇结构 分子动力学 计算机模拟     

快凝过程中液态Cu64Zr36合金二十面体团簇遗传与演化跟踪

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₆₄Zr₃₆合金在冷速50 K/ns下 的快速凝固过程, 并通过双体分布函数、Honeycutt-Andersen (H-A) 键型指数和团簇类型指数对其微结构演变特性进行了分析. 液态与快凝玻璃合金的主要原子组态都是二十面体(12 0 12 0)及其变形结构 (12 8/1551 2/1541 2/1431), 其中比例最高的是Cu芯Cu₈Zr₅基本原子团, 其次是Cu₇Zr₆和Cu₉Zr₄团簇; 并且由这些二十面体基本原子团铰链形成的中程序, 其尺寸分布在液相和固相中分别呈现出13, 19, 25,···和13, 19, 23, 25, 29, 37,···的幻数特征. 团簇的演化与跟踪分析发现: 没有任何团簇能从液态直接遗传到固态合金, 遗传的起始温度出现在T_m–T_g过冷液相区. 二十面体团簇的遗传主要以完全和直接遗传为主, 并且一个明显的增加发生在T_g附近. 在玻璃化转变温度T_g以下, (12 0 12 0) 二十面体比 (12 8/1551 2/1541 2/1431) 变形二十面体具有更高的结构遗传能力, 但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分的恒定. 通过部分遗传, 某些二十面体中程序甚至也能从过冷液体中被遗传到玻璃合金. 关键词： 快速凝固 分子动力学 二十面体团簇 遗传     

二十面体团簇的遗传:一个与快凝Cu56Zr44合金玻璃形成能力有关的动力学参数

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₅₆Zr₄₄合金在不同冷速γ与压力P下的快速凝固过程, 并通过基于Honeycutt-Andersen键型指数的扩展团簇类型指数法对其微结构演变特性进行了分析. 结果表明: 快凝玻璃合金的局域原子组态主要是(12 12/1551)规则二十面体、以及 (12 8/1551 2/1541 2/1431)与(12 2/1441 8/1551 2/1661) 缺陷二十面体. 通过原子轨迹的逆向跟踪分析发现: 从过冷液体中遗传下来的二十面体对快凝合金的玻璃形成能力(GFA)具有重要影响, 不仅其可遗传分数F_i =N_{300 K←Tg}ⁱ/N_Tg 与GFA密切相关, 而且其遗传起始温度(T_onset)与合金约化玻璃转变温度T_rg = T_g/T_m也存在很好的对应关系.     

Local atomic structures of amorphous Pd80Si20 alloys and their configuration heredity in the rapid solidification

The local atomic structures of amorphous Pd₈₀Si₂₀ alloys and their configuration heredity in the rapid solidification are investigated by a molecular dynamics simulation with the help of cluster-type index method based on Honeycutt–Anderson bond-type index and an inversely tracking technique of atomic trajectories. Their short-range orders are found to be various Kasper clusters as well as their distorted configurations, and among which (10 2/1441 8/1551) bi-capped square Archimedean anti-prism (BSAP) clusters are dominated, e.g. Si-centred Pd₁₀Si₁ clusters. These Kasper clusters mainly exist in the form of isolated basic clusters. Few medium-range orders can be detected, especially for Si-centred Kasper clusters. Similarly to icosahedrons of Cu–Zr amorphous alloys, their sustainable configuration heredity also occurs firstly in the super-cooled liquid region, and BSAP clusters have higher onset temperature T_onset and bigger descendible fraction F than other Kasper clusters in the rapid solidification of Pd₈₀Si₂₀ alloys.     

冷却速率对液态金属Cu凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用Quantum Sutton-Chen(Q-SC)多体势对液态金属Cu在四个不同冷却速率下的凝固过程进行了分子动力学模拟研究. 通过双体分布函数、键型指数、配位数、均方位移及可视化分析, 结果表明：冷却速率对液态金属Cu的微观结构演变有决定性影响. 当冷却速率为1.0×10¹⁴K/s时得到非晶态结构；当冷速分别为1.0×10¹³K/s，1.0×10¹²K/s和1.3×10¹¹K/s时，系统形成以1421键型为主体的面心立方(fcc)与六角密集(hcp)共存的混合晶体结构；且其结晶温度分别为373K，773K和873K，即冷速越慢，其结晶温度越高，结晶程度也越高；且冷速越慢，1421键型越多，混合晶体中面心立方(fcc)结构所占的比例越高. 同时发现，原子的平均配位数的变化与1551，1441，1661键型的变化密切相关, 反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关. 在可视化分析中，进一步采用中心原子法展现出非晶态与晶体结构的2D截面，及在3D下混合晶体中两个基本原子团分别为面心立方(fcc)与六角密集(hcp)基本原子团的具体结构. 关键词： Q-SC多体势 液态金属Cu 凝固过程 分子动力学模拟     

非晶态金属Al中微团簇多面体结构及其演变规律的模拟研究

对50 000个金属Al原子从液态急冷形成非晶态结构的过程进行了分子动力学模拟研究.采用原子键型和原子团簇类型指数法,发现在其微观结构的转变过程中,与不断增加的1551键型密切相关的二十面体及其缺陷结构的形成起了非常突出的作用.通过各种键型原子团簇的计算,获得团簇多面体结构的分布数据.在可视化的显示下,得到一幅十分清晰的关于团簇多面体结构的特征及其演变的图景.建立了一种简单而有效的团簇多面体结构研究方法.同时也对模拟计算结果的微观机理给出了相应的讨论,这对于深入理解非晶态结构的形成机制及其微观过程,将有重     

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.     

Icosahedral medium-range order formed in Mg70Zn30 metallic glass: a larger-scale molecular dynamics simulation

A larger-scale Mg70Zn30 alloy system including 100000 atoms has been simulated by using the molecular dynamics method to investigate the icosahedral medium-range order (IMRO) formed in the Mg70Zn30 metallic glass. It is found that the simulated pair distribution function of Mg70Zn30 metallic glass is in good agreement with the experimental results. The glass transition temperature Tg is near 450 K under the cooling rate of 1×1012 K/s. The icosahedral local structures play a critical role in the formation of metallic glass, and they are the dominant local configurations in the Mg70Zn30 metallic glass. The IMRO in the Mg70Zn30 metallic glass is characterized by certain types of extended icosahedral clusters combined by intercross-sharing atoms in the form of chains or dendrites. The size distributions of these IMRO clusters present a magic number sequence of 19, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39,. . . , and the magic clusters can be classified into three types according to their compactness. The IMRO clusters grow rapidly in a low-dimensional way with cooling, but this growth is limited near Tg.     

Formation and evolution mechanisms of large-clusters during rapid solidification process of liquid metal Al

A molecular dynamics simulation study has been performed for the formation and evolution characteristics of nano-clusters in a large-scale system consisting of 400000 atoms of liquid metal Al. The center-atom method combined with pair-bond analysis technique and cluster-type index method (CTIM) has been applied here to describe the structural configurations of various basic clusters. It is demonstrated that both the 1551 bond-type and the icosahedral cluster (12 0 12 0) constructed by 1551 bond-types are dominant among all the bond-types and cluster-types, respectively, in the system and play a critical role in the microstructure transitions of liquid metal Al. The nano-clusters (containing up to 150 atoms) are formed by the combination of some middle and small clusters with distinctly different sizes, through mutual competition by unceasing annex and evolution in a seesaw manner (in turn of obtaining and losing), which do not occur as the multi-shell structures accumulated with an atom as the center and