液态金属Al快速凝固过程中团簇结构的形成特性

采用分子动力学方法 ,对含有 10 5个Al原子的液态金属大系统在快凝过程中团簇结构的形成特性进行了模拟研究 ,并采用原子团类型指数法 (CTIM )来描述各种类型的团簇结构组态 .研究结果显示 ,二十面体原子团 (12 0 12 0 )及其组合在微观结构转变中起着最重要的作用 .发现纳米级大团簇 (含有 10 4个原子 )是由一些中等原子团相互结合而成 ,而中等原子团又是由基本原子团结合组成 .这种结构与由热蒸发、离子溅射等方法所获得的以某一个原子为中心、按八面体结构堆积起来的多壳层晶体结构的纳米级大团簇完全不同 .组成这种大团簇结构的基本原子团的中心原子是彼此以单线或扭结的形式相互成键连接的 .这种结构的角隅正好可以成为液态金属凝固过程中形成支晶的起点 .     

液态金属的初始状态对凝固微结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Ａｌ在不同的初始状态下，以相同急冷速率凝固的过程进行模拟跟踪研究，发现：在玻璃转变温度Ｔｇ以上（即过冷液态）时，系统的微结构组态情况基本一致，相差甚微；但在Ｔｇ以下时，不同的初始液态微结构对其固态微结构有明显的影响；且在Ｔｇ处各种固态微结构之间的差别发生突发性的变化。这一结果对于深入理解液－固微结构之间的转变关系，具有一定的重要意义。     

液态金属急冷过程中微观结构转变的研究

本文对液态金属Ａｌ在溶态及急冷过程中的微观结构及其转变进行了分子动力学模拟研究。发现在由ＨＡ（Ｈｏｎｅｙｃｕｔ－Ａｎｄｅｒｓｅｎ）健型指数所确定的双锥体原子团结构的数目随急冷温度变化的关系曲线上存在着二个明显的转变点。第一个点与熟知的玻璃转变温度Ｔｇ相吻合；而第二个点则为新发现的低温端相交点Ｔｇ２。这一结果为用分子动力学方法从微观层次上研究结构相变过程提供了一条新途径。     

冷却速率对液态金属Zn快速凝固过程中微观结构的影响

用分子动力学模拟方法研究了六种不同冷却速率对液态金属Zn凝固过程微观结构的影响. 采用双体分布函数g(r)曲线、平均原子总能量、Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法和原子团类型指数法(CTIM-2)对凝固过程中微观结构的变化进行了分析. 结果表明, 冷却速率对微观结构的转变有决定性影响, 当冷却速率为1×10¹⁴、5×10¹³、2×10¹³、1×10¹³、5×10¹² K·s-1时, 系统形成以1551、1541、1431键型为主体的非晶态结构; 当冷却速率为1×10¹² K·s-1时, 系统形成以1421、1422键型为主或以密排六方(hcp)基本原子团(12 0 0 0 6 6)和面心立方(fcc)基本原子团(12 0 0 0 1 2 0)共存的部分晶态结构. 同时发现, 在形成非晶的五个系统中,玻璃化转变温度Tg随着冷速的降低而降低.     

过冷液体钾形核初期微观动力学机理的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属钾凝固过程进行了模拟,根据凝固过程体系平均原子能量、原子成键类型和成团类型,以及均方位移和非Gauss参数等动力学参数的演化特征,对过冷熔体形核初期微观动力学机理进行了研究.结果表明:根据过冷液体钾结晶形核过程热力学、动力学和结构特性的演化规律, 其过冷温度区间可以分为两个明显不同的阶段,潜在结晶核心出现在过冷液体较低温区.过冷熔体钾在形核初期,二十面体团簇结构在α-弛豫阶段逐渐解体,同时具有体心立方(bcc)结构的潜在结晶核心逐步形成,其临界晶核包含约300个原子.     

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.     

冷却速度对Ga凝固过程的影响的模拟研究

采用分子动力学方法对Ga在相同初始状态下以不同速度冷却的凝固过程中进行了模拟研究。发现：以3.38×1013、3.38×1012K/s的速度冷却,得到非晶态结构;以2.01×1011K/s的速度冷却,发生明显晶化,结晶转变温度约为133K。这一结果,对于如何正确选择冷却速度获得优良材料性能,将具有重要的实际意义。     

液态金属急冷过程中原子团簇结构形成与转变特性模拟

对于由50000个液态金属原子系统的急冷过程进行了分子动力学模拟研究,比较深入地考察了微观结构组态的变化.特别采用原子成团类型指数法,分析了液态金属原子形成原子团及团簇结构的演变过程.发现系统中的大团簇结构是由小团簇（由几个小原子团结合组成）相互连接而成,而不是以某一个原子为中心按一定规则堆积起来的多壳层结构.随着温度的下降,原子团重复出现的几率将大为增加,显示出原子团确实具有一定的相对稳定性和延续性（即遗传效应）.这对于深入理解液态金属的凝固过程、非晶态结构的短程有序区及无序稀疏区的形成机制及其微观过程,将有重要的启示作用.     

液态金属Al凝固过程中的团簇结构与幻数特性

采用分子动力学方法,对含有100000个Al原子的液态金属系统在凝固过程中团簇结构的形成特性进行了模拟研究,并采用原子团类型指数法(CTIM)来描述各种类型的团簇结构组态.研究结果显示:在液态金属Al的凝固过程中,只有与1551键型相关的二十面体原子团(12 0 12 0)及其组合形成的各种团簇结构,对微结构的演变起着关键的、决定性的作用;由不同数目、不同类型基本原子团组成的各种层次的团簇结构,都在一定的原子数区段内呈现出峰值,即幻数点;系统的幻数序列为:13(13), 19(21), 25～28(27), 31～33(29～30) ,37、39,…(括号内为液态时对应的幻数值),与Harris等人的实验结果甚为相符.本模拟研究所用的团簇结构按层次区段来研究幻数序列的方法,可为实验结果提供更为合理的模型解释.     

液态金属铝的热历史对凝固微结构的影响

用分子动力学模拟研究了液态金属Al 系统的热历史对凝固微结构的影响.发现在同一系统中、不同的热历史条件下， 1551 键型和与1551键型相关的二十面体结构(12 0 12 0)在微结构的转变过程中均起着非常重要的作用. 特别有意义的是, 在每个温度的等温运行中能够重复出现的二十面体的数目不随温度的降低而增加, 并有一个极大值.该极大值点正好与其玻璃转变温度Tg相对应, 在不同的热历史条件下极大值的位置是能够移动的.结果还显示出, 热历史条件对微结构转变有严重影响, 且其作用主要是在玻璃转变温度点Tg以后才显示出来. 这就为我们理解和控制凝固过程中的微结构转变提供了一条新途径.