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基于多体势的分子动力学研究合金系统晶态—非晶态相变

梁苏会  
【摘要】:本论文首先介绍了亚稳合金相及其理论研究进展,以及文中主要采用的研究方法:第一性原理辅助构建多体势和分子动力学模拟。 在传统TB-SMA势的基础上,参与提出光滑的TB-SMA势函数形式,该多体势克服了原有短程TB-SMA势结构稳定性、截断距离处能量突变等问题。应用第一性原理辅助构建多体势的方法,构建了Ni-Sc、Cu-Zr两个二元合金系统的TB-SMA势函数;并构建了Nb-Zr二元合金系统和Cu-Hf-Ti三元合金系统的光滑的TB-SMA势函数。 在构建所得多体势的基础上,应用Parrinello-Rhaman分子动力学方法研究了Ni-Sc、Cu-Zr、Nb-Zr三个二元合金系统的晶态—非晶态相变,通过对多层膜模型和固溶体模型进行分子动力学模拟,得到以下结果:(1)金属多层膜发生固态非晶化反应的过程中,非晶相的生长均为逐层生长模式,其生长过程可以分为快速形核、扩散控制的稳定生长和生长停止趋于稳定的三个阶段。(2)计算得到二元合金系统多层膜的热力学因子和动力学因子,并可以用它们来判断二元合金多层膜中是否能发生界面非晶化反应。(3)计算得到Ni-Sc合金系统的非晶形成范围为Ni原子浓度18%±2%至80%±2%,Cu-Zr合金系统的非晶形成范围为Cu原子浓度8%±2%至90%±2%,Nb-Zr合金系统的非晶形成范围为Nb原子浓度8%±2%至80%±2%。上述三个合金系统都有报道实验得到的非晶合金,它们的成分均落在计算得到的合金系统的非晶形成范围内。 在构建所得多体势的基础上,对Cu-Hf-Ti三元合金系统进行分子动力学模拟,揭示了Cu-Hf-Ti三元合金系统的非晶化反应的物理本质是当固溶体中的溶质原子浓度超过临界值时,固溶体原有的晶格点阵坍塌而发生晶态—非晶态反应。同时在Cu-Hf-Ti三元合金系统的成分三角形中定量地给出了该系统的非晶形成范围。模拟结果不但得到实验结果的支持,还与非晶相形成的经验规则——结构差异规则相符。


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