典型金属材料熔化曲线和多相状态方程的理论计算

论文摘要

对凝聚态物质的“压强—密度—温度”关系研究,是凝聚态物理的一个基础性课题。精确的相边界是构建实用状态方程的关键因素。大部分物质都存在从固态到液态的相变——熔化,因而熔化曲线研究在状态方程理论模型构建方面具有重要的应用价值和科学意义。本文重点研究典型金属材料的熔化曲线,进而在Gray三相状态方程模型基础上,利用确定的高压熔化曲线计算相关金属材料的固、液两相状态方程数据。本文通过位错熔化理论的不同解析表达式,不同的状态方程形式及其参数和不同的本构方程及其参数,计算了几类典型金属材料的高压熔化曲线,并与最新的动高压和静高压实验数据进行了比较,主要结论如下;①简单位错熔化理论解析模型计算的fcc金属Ag、Al、Cu、Ni高压熔化曲线与实验数据较好吻合,表明位错熔化理论适用于描述此类简单fcc金属的熔化过程。确定了Ag、Al、Cu、Ni四种材料状态方程、本构优化参数B0、B′0、G0和G′0。②对有低压固—固相变的Mg、Pb、U三种元素,用单一常态相近似的位错熔化理论解析模型计算得到其熔化曲线。计算结果表明,模型对G′0很敏感,不同的G′0取值对熔化曲线斜率dTm/dP影响很大,选取正确的参数值G′0,可以得到与实验数据较为吻合的计算结果。优化的Mg、Pb、U三种材料的G′0值分别为1.7、1.25、3.0。③用“分段计算方法”,确定了γ-Sn常压下的熔点为436K,实现了用位错熔化理论计算β-Sn和γ-Sn的熔化曲线。通过与Sn高压熔化实验数据比较,验证了我们计算方法的合理性。用“分段计算方法”,把位错熔化理论解析模型推广到计算多晶相金属熔化曲线的计算方法目前未见国内外有报道。此方法对于其它更为复杂的多相材料是否适用,还需要进一步的理论和实验证明。④用位错熔化理论解析模型计算了bcc过渡金属Mo、Ta、W的熔化曲线。计算结果表明;通过合理选择参数B0、B′0、G0和G′0,位错熔化理论可以很好地解释bcc过渡金属Ta、Mo、W的动态冲击熔化数据,但与DAC实验数据存在很大的差异。用位错熔化理论计算得到这三种bcc过渡金属在冲击熔化压力附近的熔化曲线斜率dTm/dP远大于基于DAC实验数据的Vacancy模型外推值。在SCG本构模型的基础上进行修正,并引入到位错熔化理论解析模型中计算了bcc过渡金属Mo、Ta、W的熔化曲线。计算结果表明,两种新的剪切模量模型的引入,并没有改善位错熔化理论解析模型对bcc过渡金属Mo、Ta、W的熔化曲线计算结果。⑤用位错熔化理论解析模型对熔化曲线斜率变化巨大的一类材料Na、Rb、Te的熔化曲线进行了计算。计算结果只在很低的压力范围与实验结果相吻合,在较高的压力范围与实验结果偏差巨大。表明位错熔化理论解析模型不适用于熔化曲线斜率变化巨大材料的熔化曲线计算。对于Na这类复杂的碱金属材料,其熔化曲线目前还很难用一个解析表达式描述。⑥基于Gray三相状态方程模型和由位错熔化理论确定的Pb、Ta、Sn的熔化曲线计算了这三种典型金属的固—液相状态方程数据,理论计算这三种材料的等温压缩线和Hugoniot线数据与实验数据较为吻合,给出了Pb（0GPa～140GPa）、Ta（0GPa～400GPa）、Sn（0GPa～85GPa）的相图。Pb材料发生冲击熔化的压力范围约为66GPa～88GPa,冲击熔化温度范围约为3777K～4595K;Ta材料发生冲击熔化的压力范围约为296GPa～357GPa,冲击熔化温度范围约为9227K～10065K;γ-Sn材料发生冲击熔化的压力范围约为48GPa～61GPa,冲击熔化温度范围约为2178K～2528K。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实验技术
• 1.2.2 熔化判据
• 1.2.3 熔化机理研究
• 1.2.4 从头算方法
• 1.2.5 逆熔化
• 1.2.6 Wang等的热力学模型
• 1.2.7 改进的Simon-Glatzel方程模型
• 1.2.8 合金模型
• 1.2.9 位错熔化理论
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 基于位错熔化理论对几类典型金属材料高压熔化曲线的理论计算
• 2.1 简单fcc结构金属材料Ag、Al、Cu、Ni熔化曲线
• 2.2 有低压相变的Mg、Pb、U熔化曲线
• 2.3 固-固相变金属材料Sn熔化曲线
• 2.4 Bcc过渡金属Mo、Ta、W熔化曲线
• 2.5 有复杂固体相变的Na、Rb、Te熔化曲线
• 2.6 本章小结
• 第三章 典型金属Pb、Ta、Sn多相状态方程理论计算
• 3.1 计算模型
• 3.2 计算结果
• 3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文