液态金属Ga急冷凝固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Ga的快速凝固过程进行计算机模拟跟踪研究,运用HA键型指数法和原子团类型指数法分析了金属原子Ga的成键类型和形成的基本原子团结构.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1551, 1541键型数目明显下降;与立方体(fcc,bcc),六角密集结构相关的1421,1422键型数目明显增加;而与菱面体相关的1321,1311键型的数目却显著增加,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)、六角密集(hcp)等团簇结构所组成的非晶态结构.这正是非晶态金属Ga的g(r)曲线分裂的第二峰的顺序为前低后高,而与非晶态金属Al的g(r)曲线(其分裂的第二峰的顺序为前高后低)明显不同的微观结构上的物理根源.     

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     

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。     

液态金属Cu快速凝固过程中原子团簇及非晶态结构转变特性的模拟研究

本文采用Quantum Sutton-Chen多体势,对由5万个液态金属Cu原子组成系统的原子团簇的形成与演变特性进行了分子动力学模似研究.我们采用原子团类型指数法(CTIM)来描述复杂的微观结构转变.研究发现:系统形成以1551、1541和1431三种键型为主的非晶态结构;二十面体原子团(12 0 12 0)和(12 2 8 2)、(13 1 10 2)、(13 3 6 4)、(14 1 10 3)、(14 2 8 4)、(14 3 6 5)缺陷多面体基本原子团在液态转变为非晶体过程中起着关键性的作用.系统所形成的纳米团簇是由一些基本团簇和由这些基本团簇相互连接而成的中等团簇所组成,这正是与由气相沉积法和离子溅射法所获得的团簇结构的本质差别所在.通过双体分布函数g(r)、HA键型、基本原子团、平均原子体积和比值g_(min)/g_(max)的分析,还得到液态金属Cu在冷却速率为1.0×10~(14)K/S时的非晶转变温度T_8约为673 K.同时还发现,1551、1441、1661三种键型随温度有相同的变化趋势,这反映出体系对称性结构有相同的变化规律.     

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 .     

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.     

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     

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     

Microstructural evolution and martensitic transformation mechanisms during solidification processes of liquid metal Pb

The microstructural evolution and the martensitic transformation (bcc–hcp and bcc–fcc) mechanisms during the solidification process of liquid metal Pb were studied by molecular dynamics simulation. Results indicate that, with the decrease of temperature, the system undergoes two phase transitions: from the liquid state into a metastable bcc phase first and then from the bcc phase into a coexisting crystal structure of hcp and fcc phases. Moreover, the complicated martensitic transformation processes are clearly observed by cluster type index method (CTIM) and the tracing method. The two transformation mechanisms are very analogous at the atomic level; the essential difference between them is that, in the bcc–hcp transformation, two adjacent layers shift in opposite directions, whereas in the bcc–fcc transformation, the top layer and bottom layer shift in opposite directions relative to the middle layer. The specific mechanisms for the bcc–hcp and bcc–fcc transformations are confirmed to correspond to the revised Burgers mechanism and Bain mechanism, respectively.     

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.