金属熔体结构及凝固特性的分子动力学模拟

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本文采用分子动力学模拟的方法,研究了熔体热历史对Au和Al3Mg2合金扩散系数的影响,以及熔体热历史对具有FCC结构的Au和Al3Mg2合金均质过冷度和凝固组织演化的影响规律,取得的研究结果有:金属熔体扩散系数随着初始温度的增大而增大,同时随着保温时间的增大而增大最终趋于稳定值。金属Au熔体初始温度从1450K增大到1900K,当初始温度不断增大,扩散系数也随之变大:金属Au熔体扩散系数随着保温时间的增加而增大,当保温时间超过2ps以后,扩散系数不再变化,同时体系的能量也不再变化,由此可知扩散系数与能量有关。合金Al3Mg2熔体初始温度从800K增大到1000K,随着初始温度的不断增大,扩散系数也变大;合金A13Mg2熔体扩散系数随着保温时间的增加而增加,当保温时间超过3ps以后,扩散系数不再变化。金属熔体形核过冷度随初始温度的增大而增大,最终趋于稳定值,同时随着冷速的增大而增大。在不同初始温度下,金属Au熔体以1×10110K/s的晶态冷速凝固后,当熔体初始温度不断增加时,模拟获得的均质形核过冷度也逐渐增大,当熔体初始温度达到一定值后,均质形核过冷度趋向于一个稳定数值,其均质形核过冷度的最大值为406K;金属Au熔体以不同冷速凝固后,均质形核过冷度随着冷速的增大而增大,通过理论计算结果和模拟结果符合的很好。在不同初始温度下,合金Al3Mg2熔体以1×10110K/s的冷速凝固后,当熔体初始温度不断增加时,模拟获得的均质形核过冷度为一个稳定值,均质形核过冷度的大小为61K;合金Al3Mg2熔体以不同冷速凝固后,均质形核过冷度随着冷速的增大而增大。金属熔体凝固组织受冷速影响,冷速较小时凝固组织为晶态结构,随着冷速的增大凝固组织向非晶态转变。不同冷速下,金属Au熔体从1700K冷至100K后,保温弛豫,结果表明:冷速小于1×10110K/s时,Au熔体凝固后形成由FCC和HCP镶嵌而成的晶态组织,当冷速大于1×10135K/s时,金属Au熔体凝固后形成完全的非晶态结构,当冷速介于1×1011.0K/s和1×1013.5K/s之间时,金属Au熔体凝固后形成晶态和非晶态的混合结构;模拟获得的理想临界冷速与理论计算结果相吻合。不同冷速下,合金Al3Mg2熔体从1000K冷至200K后,保温弛豫,结果表明:当冷速大于1×10120K/s时,合金Al3Mg2熔体凝固过程中发生非晶转变。
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