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非晶合金凝固的界面结构及其热力学特征的研究

作　者: 厉虹
导　师: 孙晶；邱克强
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 材料学
关键词: 分子动力学模拟 Cu-Ti 界面结构热力学
分类号: TG139.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

固液相变是自然界中常见的物理现象,合金凝固过程中的液固界面具有高度的复杂性和动态变化性,往往表现出非平衡、非线性的行为。界面的存在,对界面区的热力学特性及其附近的流动、传输和化学反应产生了重要的影响。本文以过冷液体的微观结构及原子在过冷液体中的运动情况为基础,利用分子动力学模拟方法,选取GEAM势函数来描述原子之间的相互作用力,结合偶关联函数,均方位移(MSD)等方法,对Cu66Ti34非晶合金在不同条件下的凝固过程进行了研究。同时利用水淬法制备了Zr41.2Ti13.8Cu12.sNi1o.oBe22.5非晶合金,采用扫描电镜、X射线衍射仪、差示扫描量热仪等分析了非晶合金的组织形貌。通过模拟计算,对金属熔体Cu66Ti34分别在4×1011K/s和4×1013 K/s两个冷速下,从1600K到300K的凝固过程进行了研究。结果表明：在4×1013K/s冷速下,体系形成非晶结构,玻璃化转变温度为600K,由MSD图像可以看出在凝固过程的刚开始阶段,束缚力相同,故认为界面是平面,过一段时间后,粒子所受束缚不同,所以此时的界面应表现为非平面界面。在4×1011Ks冷速下,体系在800K时部分发生晶化。根据MSD数值可知,在4×1011Ks时粒子的扩散能力要比在4×1013K/s时的大,凝固速度降低两个数量级,而MSD的数量级增加两个数量级,说明在较低的凝固速度下,凝固时间增大,粒子有足够的时间进行重排与迁移。用水淬法制备非晶合金,得到非晶合金的凝固最初表现为平整界面,而后发展为糊状界面。在水淬条件下,石英管及石英管与液态金属反应层的导热状态决定了液态金属凝固速率的大小。同时,在模拟的过程中获得了焓、内能、体积与温度的关系,对合金的比热进行计算,得到：在4×1013 K/s时,定压比热与温度成二次函数关系,采用动力学性质计算的Tg与实验结果更接近。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-25
  1.1 非晶合金发展历史  10-12
  1.2 液态和非晶态金属的结构模型  12-15
  1.3 液态金属凝固过程的计算机模拟  15-23
    1.3.1 模拟方法及应用范围  15-16
    1.3.2 势函数的发展  16-17
    1.3.3 微观结构表征方法  17-18
    1.3.4 计算机模拟在非晶方面的应用  18-19
    1.3.5 过冷液体微观结构及其演变规律  19-22
    1.3.6 过冷液体中粒子的运动  22-23
  1.4 本工作的目的与意义  23-24
  1.5 课题的研究内容  24-25
第二章试验方法  25-30
  2.1 分子动力学的模拟方法  25-26
    2.1.1 分子动力学的基本原理  25
    2.1.2 势函数的选取  25
    2.1.3 时间步长  25-26
  2.2 分析方法  26-27
    2.2.1 Voronoi分析法  26-27
    2.2.2 偶关联函数  27
    2.2.3 均方位移  27
  2.3 合金的试样制备及分析方法  27-30
    2.3.1 实验材料  27-28
    2.3.2 合金试样的制备  28
    2.3.3 分析方法  28-30
第三章非品合金凝固的界面结构  30-55
  3.1 引言  30
  3.2 合金凝固过程  30-46
    3.2.1 模拟方法及细节  30-32
    3.2.2 偶关联函数  32-37
    3.2.3 结构的演化规律  37-38
    3.2.4 粘度变化  38-39
    3.2.5 均方位移  39-46
  3.3 界面结构模型的建立  46-47
  3.4 非平衡凝固的一些思想  47-48
  3.5 实验验证  48-55
    3.5.1 水淬法制备非晶合金的凝固过程  48-53
    3.5.2 合金凝固初期阶段热转换分析  53-55
第四章凝固过程中的热力学特征  55-62
  4.1 引言  55
  4.2 内能与体积  55-58
  4.3 熵、焓、比热、自由能  58-62
    4.3.1 热力学焓  58-59
    4.3.2 定压比热的计算  59-60
    4.3.3 熵变的计算  60-61
    4.3.4 自由能G  61-62
第五章结论  62-63
参考文献  63-69
在学研究成果  69-70
致谢  70

非晶合金凝固的界面结构及其热力学特征的研究

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