金属形核及固/液界面能的分子动力学模拟

【摘要】：固／液界面能是过冷熔体形核／生长理论中极其重要的物理量,它对于凝固过程中的形核速率和生长速度及界面结构有重要影响。金属的固／液界面能的深入理解对于理解熔体形核及生长过程有很大帮助。本文将形核过程和固／液界面能作为一个系统来看待。我们通过实验全面地研究了Ag、Cu、Ni体系的固／液界面能及形核方式；同时采用分子动力学方法详细地研究了Ag、Cu、Ni的均质形核过冷、形核前熔体的晶胚结构同晶核结构的关联、以及Ni5oCu5o异质形核过程。取得的主要成果有： 通过在真空电磁感应加热装置中采用熔融玻璃净化+循环过热的方法对Ag、Cu、Ni的过冷规律进行了系统的研究。采用合适的净化工艺,使其分别获得了263K、257K、340K的过冷度。采用最大过冷度法,我们计算得到在这些过冷度下对应的固／液界面能值分别为：0.1388Jm-2、0.1939Jm-2、0.27631Jm-2。这和有关固／液界面能模型所预测的界面能吻合得很好。为了判定这些金属的形核方式,我们通过相关固／液界面能模型计算得到了实际工艺参数下的均质形核过冷度,也和我们得到的实验值很接近,表明了在这些过冷度下,Ag、Cu、Ni的形核方式接近均质形核。另外,我们对Ag、Cu、Ni的均质形核过冷采用分子动力学方法进行了模拟。结果表发现：模拟得到的形核过冷度同有关界面能的理论预测相吻合。 通过采用EAM多体势函数,对银形成非晶的冷却速度范围进行了分子动力模拟,在此基础上研究了银熔体中亚临界晶核的结构、银凝固过程结晶相的结构以及它们之间的关系。结果表明：在一定的冷却速度范围内,银熔体凝固后得到的组织是晶体团簇与非晶组成的混合体,最大晶体团簇尺寸随着冷速的增加而减小；银凝固过程中的晶体团簇和结晶后的晶体是由面心立方fcc和密排六方hcp构成的层状偏聚结构。银熔体结晶后由面心立方和密排六方构成的层状组织偏聚结构起源于熔体中的晶胚,在形核阶段就已经生成,并非在生长阶段才开始产生。 采用不同强度形核基底-合金作用势,实现了对过冷Ni50Cu5o熔体均质和异质形核过程的分子动力学模拟。结果发现：异质形核时临界晶核的形状并非球冠状,因此用经典形核理论中的润湿角因子无法表征异质形核基底的形核能力；异质形核时晶核与形核基底之间存在原子间距数量级大小的间隙δ,δ随晶核与形核基底间差异的增大而增大,δ可用来衡量形核基底对熔体的形核能力；随6的减小,形核孕育时间缩短、临界晶核中的原子数减少；模拟得到的无量纲原子数同异质形核的无量纲形核孕育时间的对数近似呈线性关系,表明用临界晶核中的原子数因子取代润湿角因子后,经典形核理论与模拟结果仍然具有一致性。