液态金属锌凝固过程中微观结构演变的模拟研究

论文摘要

本文采用分子动力学模拟方法,对包含不同原子数目的液态金属Zn系统的快速凝固过程进行模拟研究。结合双体分布函数、键型指数法、团簇类型指数法（CTIM-2）和微观可视化等分析方法对其快速凝固过程中微观结构的演变特性进行深入分析。首先,我们对包含1000个原子的液态金属Zn小系统在两个不同冷速下的凝固过程进行了模拟研究,探讨了系统形成的非晶和晶态结构在键型、团簇等微观结构方面的不同。发现液态金属Zn在快速凝固时,形成以1551、1541、1431键型为主体的非晶结构;当较慢冷速凝固时,形成以1421、1422键型为主的fcc和hcp相共存的晶态结构,同时也存在一定比率的1311键型结构组态。且在fcc和hcp共存的晶态结构中,其fcc、hcp原子团簇分别呈层状排列,多层排列的fcc团簇通过双层排列的hcp团簇原子层嵌套链接在一起的,从而构成了整体晶化程度很高的晶态结构。继而,我们对液态金属Zn在四个不同冷速下的凝固过程进行了研究。结果表明:液态金属Zn凝固过程中的晶化温度Tc明显随着冷速的降低而升高。但同时发现,冷速对系统的平均原子总能量、系统的晶态微观结构的影响呈现出非线性变化关系,究其原因,可能是由于尺寸效应引起的。最后,为了减少尺寸效应,我们把系统的原子数目增加至10000个,并对该系统在六种不同冷速下快速凝固形成非晶过程进行了研究。结果表明:非晶转变温度Tg和系统的平均原子总能量均随着冷速的降低而降低。且发现冷速对系统微观结构演变的影响在系统处于液态和过冷液态时并不明显,但是在液-固转变温度以下这种影响就会明显而充分地表现出来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 液态金属基本特性
• 1.3 液态金属的结构模型
• 1.4 液态金属快速凝固过程的分子动力学模拟研究
• 1.5 本文研究的目的及其主要内容
• 第2章 分子动力学模拟方法及结构分析方法
• 2.1 前言
• 2.2 分子动力学模拟方法
• 2.2.1 分子动力学模拟方法基本原理
• 2.2.2 初始体系
• 2.2.3 时间步长
• 2.2.4 算法
• 2.2.5 边界条件
• 2.3 赝势
• 2.4 结构分析方法
• 2.4.1 双体分布函数
• 2.4.2 键型指数法
• 2.4.3 团簇类型指数法（CTIM-2）
• 2.4.4 可视化分析方法
• 第3章 液态金属ZN 快速凝固过程的模拟研究
• 3.1 模拟计算的条件和方法
• 3.2 冷速较快时的模拟结果分析
• 3.2.1 双体分布函数分析
• 3.2.2 键型指数分析
• 3.2.3 团簇类型指数法（CTIM-2）分析
• 3.2.4 微观结构可视化分析
• 3.3 冷速较慢时的模拟结果分析
• 3.3.1 双体分布函数及平均原子总能量分析
• 3.3.2 键型指数分析
• 3.3.3 团簇类型指数法（CTIM-2）分析
• 3.3.4 微观结构可视化分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 冷速对液态金属ZN 晶化过程中微观结构影响的模拟研究
• 4.1 模拟计算的条件和方法
• 4.2 模拟计算结果与分析
• 4.2.1 双体分布函数及平均原子总能量分析
• 4.2.2 键型指数分析
• 4.2.3 团簇类型指数法（CTIM-2）分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 冷速对液态金属ZN 非晶转变过程中微观结构影响的模拟研究
• 5.1 模拟计算的条件和方法
• 5.2 模拟计算结果与分析
• 5.2.1 双体分布函数分析
• 5.2.2 平均原子总能量分析
• 5.2.3 键型指数分析
• 5.2.4 团簇类型指数法（CTIM-2）分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢