液态mg-zn合金凝固过程中微观结构演变的模拟研究-simulation study on microstructure evolution of liquid mg - zn alloy during solidification.docxVIP

摘要本文简单回顾了液态金属快速凝固和分子动力学模拟的发展历程。在不同条 件下模拟 Mg-Zn 合金快速凝固的过程，采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen 键 型指数法、原子团类型指数法(CTIM)以及遗传追踪法等微观结构表征方法，研究微观 结构的演变特征。对液态Mg70Zn30合金进行快速凝固模拟，深入研究非晶态结构大团簇的形成过程。 研究显示：在冷却速度1×1012 K·s-1下的凝固过程中，体系结构组态发生了变化，Zn-Zn 原子间的成键概率增加明显，且1551、1541和1431三种非晶态键型占主导地位，其中1551 键型相对原子能量较低且出现概率高，对非晶态结构的形成起决定性作用。在非晶态 结构形成过程中，二十面体基本原子团显著增加，成为体系主要的团簇结构。通过 追踪大团簇结构的演变过程，发现中、小团簇结构之间相互竞争与兼并，最终形 成以二十面体为主体的大团簇结构。在材料凝固过程中，不同的初始温度和成分比例会导致凝固结构产生差异。 研究6种不同初始温度和9种不同成分在快速凝固过程中对 Mg-Zn合金微观结构的 影响。模拟结果指出，不同初始温度对于非晶态结构参数(1551键型、二十面体、 平均配位数)有不同程度的影响。这些参数呈现出非线性的特征，但这种非线性在 一定范围内涨落，并且波动幅度随着初始温度的降低而减少。此外，初始温度对 于能量变化却是线性关系，初始温度越高，体系的平均原子能量越低，也就是说， 初始温度越高体系会得到更稳定的非晶态结构，具有较强的非晶形成能力。而对 于不同成分，偏双体分布函数gZn-Zn(r)的第一个峰值在降温过程中超出gMg-Mg(r)， 两者的曲线交叉点出现在非晶态转变区域。并且不同成分的凝固体系形成的二十 面体数目存在明显差异。在研究 Mg-Zn 合金非晶态结构中，发现体系团簇结构以二十面体为主，并且 双体分布函数第二峰都会出现裂峰。基于两者作为非晶态结构的特征，研究二十 面体对双体分布函数裂峰的影响。建立一个理想二十面体模型，分析二十面体的 几何特征发现，其表面原子之间的距离比中心原子到近邻原子的距离要长，因此， 半径较小的 Zn 原子作为二十面体的中心更合适。此外，二十面体通过四种方式 连接，其中两个二十面体共心连接在降温过程中增长最快，成为主要的连接方式。 共心的两个二十面体，以一端原子为顶点计算到各层近邻原子的距离，发现与双 体分布函数各峰值出现的位置相符合，证实二十面体对双体分布函数第二峰的分 裂有着重要影响。基于单个二十面体以及共心二 十面体的分析，模拟 10 000 000 个原子的 Mg70Zn30 合金体系快速凝固的过程，进一步研究大尺寸的二十面体中程序结构及其演变特性。分析非晶态结构得知，二十面体中程序结构的尺寸分布概率较高的形成奇数幻数系列：n=19，23， 27， 29， 31， 33， 35， 37， 41， 43， ……。二 十面体中程序结构包含三棱锥混合结构模型、菱形混合结构模型、三角形混合结 构模型和链状结构模型四种结构模型，它们单独或者组合一起存在于系统中。接 着，对由 1-5 个二十面体组成的中程序结构进行追踪，发现 1-3 个二十面体组成 的中程序结构在降温过程中除了从上一温度整个遗传下来以外，还存在 3、4、6 个替换原子的替换遗传，一种以三角形、菱形、五角锥的结构模式整体脱落再兼 并的过程；而对于 4-5 个二十面体组成的中程序结构，替换遗传不明显，对于二 十面体个数一样的中程序结构原子越少原样遗传率越高。关键词： 液态 Mg-Zn 合金；分子动力学模拟；凝固过程；微观结构；二十面体AbstractThe development of the rapid cooling theory and the history of the molecular dynamics simulation are briefly reviewed in this thesis firstly. The solidification processes of liquid metal Mg-Zn under different conditions are simulated. By means of the different microstructural description methods of the pair distribution function, bond-type index method, and cluster-type index method (CTIM), and the technique of tracing cluster based on the CTIM, the formation proper