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《湖南大学》 2018年
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高压对液态锆、镍及合金凝固微结构演变影响的模拟研究

张海涛  
【摘要】:本文介绍了液态金属的凝固、非晶态合金的形成和计算机模拟等基础理论及其在材料科学研究和制备中的重要意义。简要回顾了分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟的起源和发展:从基本原理到具体实现过程,包含原子之间相互作用的势函数、周期性边界条件、热力学条件和计算机算法等。着重描述了微观结构分析方法-团簇类型指数法(Cluster Type Index Method-3,CTIM-3)。本文主要采用MD方法,并结合平均原子势能、双体分布函数、HA键型指数法、团簇类型指数法及三维可视化技术等相关微观结构表征方法,从原子尺度系统地研究了高压对液态金属锆(Zr)、镍(Ni)及镍锆(Ni-Zr)合金快速凝固过程中微观结构的形成与演变的影响机制。采用镶嵌原子势(Embbed Atom Method,EAM)对液态金属Zr在不同高压(0~50 GPa)但在同一冷却速率(1.0×10~111 K/s)下的快速凝固过程中微观结构演变进行了分子动力学模拟研究。结果表明:该系统存在一个临界压力P_c(28.75GPa),当压力PP_c时,金属Zr熔体在凝固过程中会发生玻璃转变,即形成非晶态结构,且压力越大,玻璃转变温度T_g越高;当PP_c时,金属Zr熔体便会发生晶化,且在晶化过程中遵循Ostwald步进原则。在晶化过程中,总是由液相转变成bcc(14 6 0 8 0 0 0 0 0)相,最后转变成hcp(12 0 0 0 6 6 0 0 0)相;且压力越高,晶化起始温度T_c越高。在0压下凝固时,只能得到一个中间过渡态;而在其它高压下凝固时,则可以得到多个中间过渡态。通过深入的微观结构分析,得知:如果在主要过渡阶段bcc(14 6 0 8 0 0 0 0)的末期,稳定结构hcp(120 0 0 6 6 0 0)形核已基本完成,则将出现多个中间过渡态,否则只出现一个过渡态。最后,还必须综合考虑热力学和动力学因素,才能更加正确理解压力对晶化过程的影响。采用EAM势函数对液态金属Ni在不同高压(0~30 GPa)但在同一冷却速率(1.0×10~111 K/s)下的快速凝固过程中微观结构演变进行了分子动力学模拟研究。结果表明:在所给定压力下,液态金属Ni凝固形成的最终结构都是晶态结构,且随着压力的增加,晶化起始温度T_c也几乎成线性增加。其中以1421、1422、1441、1661键型为主形成的fcc(12 0 0 0 12 0 0 0 0),hcp(12 0 0 0 6 6 0 0 0)和bcc(14 6 0 8 0 0 0 0 0)三种团簇结构在由液态转变成晶态过程中起着非常重要的作用。特别有意义的是,第一次发现在20~22.5 GPa之间存在一个重要的转折点,当系统压力达到该值后,液态金属Ni凝固最终形成的晶态结构将由fcc结构转变成bcc结构。对液态金属Zr与Ni的合金即液态Ni_(64)Zr_(36)合金在在同一冷却速率(1.0×10~(10)K/s)但在不同压力(0~50 GPa)下的快速凝固过程中微观结构演变及力学性能进行了分子动力学模拟研究。结果表明:在不同压力下(0~50 GPa),液态Ni_(64)Zr_(36)合金凝固最终都形成了非晶态结构。压力对液态Ni_(64)Zr_(36)合金最终凝固形成非晶态结构组织和力学性能有着重要的影响,其中1551键型、二十面体(12 0 12 0 0 00 0 0)、缺陷二十面体(12 0 8 0 0 0 2 2 0)、(12 2 8 2 0 0 0 0 0)等在整个微观结构演变过程中起着十分重要的作用。玻璃转变温度T_g、主要键型、主要团簇的百分含量和弹性模量等参数都随着压力的增加而线性增加。特别是在50 GPa的压力环境下形成的非晶态组织,它将有望成为一种组织结构紧密、力学性能优良的材料。本文的工作对于深入理解在高压环境下,对液态金属Zr与Ni及其合金Ni_(64)Zr_(36)凝固过程中微观结构演变及力学性能的影响,特别是出现多个中间过渡态的微观机理,提供了一个新的视角。压力对微观结构的形成和演变、尤其是对系统中的主要基本团簇的形成和演变有着重要的影响。当对比压力和冷却速率对系统凝固结构的影响时,发现增加压力的作用与减少冷却速率的效果是相似的;但两者的作用机理是不相同的,需要进一步深入分析。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG111.4

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