论文摘要
本文采用分子动力学模拟方法,结合双体分布函数、键型指数法和团簇类型指数法（CTIM）等微观结构表征方法,以及基于CTIM的团簇跟踪技术,从微观结构的不同方面,系统研究了液态金属Na在不同条件下凝固过程中微观结构的形成和演变机理。并根据模拟研究的结果,对一些重要实验现象和凝固理论进行了微观解释。对液态金属Na在不同冷速和熔体初始温度条件下的凝固过程进行了模拟,考察了不同热历史条件对凝固过程微观结构的影响。结果表明,冷速对凝固过程中微观结构的转变起关键性作用,当液态金属Na以1×1014K/s和1×1013K/s的冷速凝固时,形成以二十面体和缺陷二十面体基本原子团为主体的非晶态结构;而在以以1×1012K/s和1×1011K/s的冷速凝固时,形成bcc晶体结构。形成非晶的临界冷速约为1013K/s。不同熔体初始温度对凝固结构晶化程度有明显影响,这种影响随熔体初始温度的降低呈非线性变化关系,但影响程度存在一个上、下限的范围。发现在液固转变温度（Tg和Tc）以上,不同冷速和熔体初始温度热历史条件对微观结构的影响并不明显;但在液固转变温度以下,不同热历史条件对微观结构的影响就明显、充分地表现出来。根据这一特点,有可能建立另一种确定Tg和Tc的新方法。进一步对包含50000个Na原子的较大体系的快速凝固过程进行了模拟,研究了快速凝固过程团簇结构的形成特性和演变机理。结果表明,液态金属Na和Al在快速凝固过程中,其团簇结构的演变有相似之处,又各有其特征。CTIM与H-A键型指数法相比,更能有效识别两者的差异所在。这展现了CTIM对识别和表征团簇结构的有效性,它将为研究液态金属凝固过程中团簇结构的形成和演变特性提供一条新途径。快速凝固结构中纳米团簇的形成经历了一个复杂的演变过程:从高温液态中极不稳定的较小尺度原子团,经历了过冷液态中相对较稳定的中等尺度原子团,到Tg以下中等尺度原子团相互兼并而形成。金属Na体系比Al更容易形成纳米团簇,并且这些纳米团簇的结构显著不同于那些由气相沉积、离子溅射等方法所获得的团簇结构。对包含10000个Na原子体系的凝固结晶过程进行了模拟,跟踪研究了结晶过程晶核的形成机理。液态金属Na晶化过程中,体系微观结构的转变从过冷液态中二十面体和缺陷二十面体为主体的结构,经历了Tc附近的缺陷bcc结构,到最后的接近完整bcc结构。团簇的能量和几何因素对凝固过程中最有利形成的微观结构组态同时起关键性作用。体系中晶核的形成会经历很多不同的形核路径,团簇的内部结构和尺寸对临界晶核的形成同时起关键性作用,内部结构的差异会引起临界晶核尺寸的不同。临界晶核呈非球状形貌,并且包含部分亚稳态结构。由模拟所得到的临界晶核尺寸,与经典形核理论的预测差别不大。在过冷液态金属Na恒温晶化过程,通过团簇跟踪分析所获得的结晶量随时间的变化关系,满足Johnson-Mehl-Avrami （JMA）结晶动力学规律。这一方面从原子层次出发验证了基本凝固理论的正确性,另一方面也说明了基于CTIM的团簇跟踪分析方法的有效性。对包含10000个原子的非晶态金属Na体系等温退火过程进行了模拟,跟踪研究了非晶态金属Na晶化过程形核和长大机理。非晶态金属Na等温退火形核过程中,经历了二十面体和缺陷二十面体团簇结构逐渐解体,接着具有bcc对称性结构的团簇逐渐形成的过程。同时只有当具有bcc对称性结构团簇的尺寸达到某一临界尺寸时,才能成为稳定晶核。非晶态金属Na的晶化过程与其深过冷熔体结晶过程类似,呈现形核、长大和晶粒粗化三个阶段特征。通过对比不同分析方法所得到的结果可见,基于CTIM的团簇跟踪分析更能准确区分晶化过程的不同阶段特征,并为DSC实验不能清楚区分非晶态金属晶化阶段的实验现象,提供了良好的微观解释。