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,并采用双体分布函数、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。     

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.     

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     

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 .     

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     

不同冷速对金属铜Cu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和Quantum Sutton-Chen(Q-SC)多体势对由5万个液态金属铜(Cu)原子构成的系统在三个不同冷却速率下的凝固过程中微观团簇结构转变的影响进行了模拟研究.运用双体分布函数、Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法、原子团类型指数法(CTIM-2)和可视化分析等方法,对凝固过程中微观团簇结构的演变特性进行了分析研究.结果发现:由非晶体向晶体转变的临界速度约为1.0×1013 K/s,在此冷速下系统形成非晶体和晶体以一定比例并存的混合结构;在冷速为1.0×1014 K/s冷却时系统形成以1551、1541、1532、1431键型为主的非晶体结构,非晶转化温度约为673K;在以4.0×1012 K/s速度冷却时,系统从673K就开始结晶,并形成以1421和1422二种键型或由这二种键型构成的面心立方(FCC)(12 0 0 0 12 0)和六角立方(HCP)(12 0 0 0 6 6)基本原子团为主的晶体结构,尤其是由1421键型构成的面心立方(12 0 0 0 12 0)基本原子团在晶体生长和微观团簇结构形成过程中占主导地位.同时发现,冷速对金属Cu系统中的FCC结构和HCP结构的相对比例有显著的影响,冷速越低,FCC基本原子团以及由其构成的团簇结构越多.     

A simulation study of microstructure evolution during solidification process of liquid metal Ni

A molecular dynamics simulation study has been performed for the microstructure evolution in a liquid metal Ni system during crystallization process at two cooling rates by adopting the embedded atom method (EAM) model potential. The bond-type index method of Honeycutt--Andersen (HA) and a new cluster-type index method (CTIM-2) have been used to detect and analyse the microstructures in this system. It is demonstrated that the cooling rate plays a critical role in the microstructure evolution: below the crystallization temperature $T_{\rm c}$, the effects of cooling rate are very remarkable and can be fully displayed. At different cooling rates of $2.0\times10^{13}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$ and $1.0\times10^{12}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$, two different kinds of crystal structures are obtained in the system. The first one is the coexistence of the hcp (expressed by (12 0 0 0 6 6) in CTIM-2) and the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 and 1422 bond-types, and the hcp basic cluster becomes the dominant one with decreasing temperature, the second one is mainly the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 bond-type, and their crystallization temperatures $T_{\rm c}$ would be 1073 and 1173\,K, respectively.     

冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响

用分子动力学模拟方法研究了五种不同冷却速率对Lennard-Jones体系凝固过程中结构与动力学性质的影响。采用两种不同的方法来确定玻璃转变温度Tg,并且对结晶温度Tc、径向分布函数g(r)、均方位移函数MSD与扩散系数D、平均配位数进行比较分析。结果表明：冷却速率影响Lennard-Jones体系凝固过程中的结构。当使用足够高的冷却速率冷却时,体系发生玻璃化转变,而且冷却速率越快,玻璃转变温度越高;当冷却速率较小时,体系形成晶体,而且冷却速率越慢,结晶温度越高,结晶程度也越高。同时发现,冷却速率对扩散系数和平均配位数也有很大影响,二者在体系发生玻璃转变时都有一个缓变的过程,表明了过冷液相区的存在。     

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     

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     

Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化的计算机模拟

采用基于溶质扩散控制模型CA方法对Ti-45at.% Al合金定向凝固过程中显微组织演化过程进行了数值模拟.模拟结果表明,在温度梯度较高时,初生晶核间距无论大小,均可通过分枝或竞争生长而使一次胞晶/枝晶间距得到调整.在抽拉速度一定情况下,随着温度梯度增加,胞晶/枝晶间距减小,在温度梯度一定情况下,随着抽拉速度增大,观察到胞晶/枝晶混合结构,混合结构区随温度梯增大而增大,模拟结果与实验观察相符合. 关键词： Ti-45at.% Al合金 定向凝固 组织演化 数值模拟     

Ti3Al合金凝固过程晶核形成及演变过程的模拟研究

采用分子动力学方法对Ti₃Al合金的形核机理进行了模拟研究,采用团簇类型指数法(CTIM),对凝固过程不同尺度的原子团簇结构进行了识别和表征,深入研究了临界晶核的形成和长大过程.结果表明,凝固过程体系包含了数万种不同类型的原子团簇结构,但其中22种团簇结构类型对结晶形核过程起关键性作用.在晶核的形成和长大过程,类二十面体(ICO)原子团簇、类BCC原子团簇和缺陷FCC及缺陷HCP原子团簇在3个特征温度点T₁ (1110 K), T₂ (1085 K)和T₃ (1010 K)时达到数量上的饱和,并根据数量和空间分布随温度的变化,得到了它们在形核和长大过程相互竞争的关系.跟踪平行孪生晶粒形成和长大的过程发现,临界晶核是由FCC原子构成的单相结构,并未观察到亚稳BCC相优先形核的过程;平行孪生结构是由FCC单相晶核在沿密排面逐层生长过程中形成的.结果还表明, CTIM相比于其他微观结构表示方法,能更为准确地揭示凝固过程微观结构的转变特征.