液體的輸運性質(zhì),例如自擴散系數(shù)和粘度,對于晶體形核及生長、液態(tài)-非晶態(tài)轉(zhuǎn)變過程以及非晶合金的力學(xué)性能都具有重要影響。自擴散系數(shù)和粘度的耦合及解耦反映了液體微觀動力學(xué)的變化,因此Stokes-Einstein（SE）關(guān)系式一直是材料學(xué)及凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。近年的研究表明,對一些體系而言SE關(guān)系式在遠高于熔點溫度以上已經(jīng)發(fā)生異常失效,這與人們關(guān)于SE關(guān)系式的通常認識有很大的不同。因此,對SE關(guān)系式的異常失效行為及失效機制的研究具有重要意義。本文通過分子動力學(xué)方法計算了Al₇₂Ni₁₆Co₁₂液態(tài)合金的輸運性質(zhì),并研究了不同溫度下Stokes-Einstein（SE）關(guān)系式的成立情況。在研究液體結(jié)構(gòu)、組元動力學(xué)解耦及動力學(xué)空間不均勻性的基礎(chǔ)上探究了SE關(guān)系式高溫異常失效的物理機制。本文利用Al₇₂Ni₁₆Co₁₂液態(tài)合金內(nèi)原子的均方位移計算不同組分的自擴散系數(shù),使用反向非平衡分子動力學(xué)方法計算了該液態(tài)合金的粘度,使用中間自散射函數(shù)計算了不同元素的α結(jié)構(gòu)弛豫... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

正常液體，過冷液體和玻璃的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為示意圖

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第7頁這個平臺期的范圍會急劇增加，直至轉(zhuǎn)變成為玻璃體。（3）在最后階段，(,)呈指數(shù)衰減，并最終衰減為零，這個階段可以用拉伸指數(shù)函數(shù)（stretchedexponentialfunction）來描述：(,)∝exp()，這里0<<1，被稱為液體的弛豫時間。這個階段對應(yīng)這粒子在液體內(nèi)的自由擴散運動，被稱為α弛豫階段。這個階段也出現(xiàn)在所有溫度下的液體的中間散射函數(shù)曲線中，并被實驗證實[40]。圖1-2過冷液體的中間散射函數(shù)，可以分成三個階段：碰撞階段、弛豫階段和α弛豫階段。這三個階段分別對應(yīng)過冷液體內(nèi)粒子的三種不同運動：碰撞運動、周圍粒子組成的“牢籠”內(nèi)的遷移和自由擴散運動。[35]Fig.1-2Theintermediatescatteringfunctioninsupercooledliquidhasthreemotionstages:ballisticmotionstage,relaxationstageandαrelaxationstage.They1.2.3模式耦合理論的成功與失敗模式耦合理論它將過冷液體中的粒子運動分解為“牢籠”內(nèi)的振動以及離開牢籠在液體內(nèi)的自由擴散運動，它的具體推導(dǎo)過程以及它的數(shù)學(xué)公式這里不做介紹，這里只介紹這種理論對于過冷液體內(nèi)粒子在不同階段內(nèi)運動的預(yù)測，以及它的成功和失敗之處。我們先介紹模式耦合理論的成功之處。首先，模式耦合理論能夠預(yù)測過冷液體向玻璃體的轉(zhuǎn)變。如圖1-1(c)所示，硬球模型的玻璃形成體系在玻璃化轉(zhuǎn)變的臨界原子堆積因子（對應(yīng)著體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）前后，體系的結(jié)構(gòu)因子沒有明顯的區(qū)別，因此僅僅根據(jù)結(jié)構(gòu)因子并不能判斷過冷液體是否轉(zhuǎn)變稱為了玻璃體。但是根據(jù)中間散射函數(shù)以及對應(yīng)的弛豫時間可以明顯判斷出過冷液體是否轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw，對于玻璃體，其中間散射函數(shù)永遠不能衰減至零。模式耦合理論的另一個成功之處在于它成功地預(yù)測了過冷液體中的粒子受到的“牢籠

緒論第10頁代表了包含了這N個粒子的體系的勢能函數(shù)（一般用粒子間的對勢總和代替）。因此被模擬體系在給定的熱力學(xué)參數(shù)（例如溫度、壓強、體積等）條件下，隨時間的演變是通過計算相空間中每一個粒子的軌跡來確定的。這種方法和在分子模擬領(lǐng)域常用的另外一種蒙特卡羅方法不同。使用蒙特卡洛方法，系統(tǒng)隨時間的演變是根據(jù)已知體系的分布函數(shù)，通過隨機行走的方法來決定的。根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)，體系內(nèi)粒子的運動狀態(tài)是連續(xù)的，或者說體系在相空間中的軌跡是連續(xù)的。但是在分子動力學(xué)模擬中，兩個相鄰時刻之間存在時間間隔，因此體系在一段時間內(nèi)連續(xù)的狀態(tài)被分隔成有限數(shù)量的時刻的狀態(tài)。而體系在一個時刻的狀態(tài)僅僅只是根據(jù)上一個時刻的狀態(tài)預(yù)測，與兩個時刻之間的狀態(tài)無關(guān)。因此使用分子動力學(xué)方法模擬體系存在系統(tǒng)誤差，誤差大小與時間間隔δt正相關(guān)。不過在實際模擬過程中，δt取得足夠小，模擬時間不要過長，那么體系的連續(xù)性不會有明顯的破壞。一般對于金屬和合金體系而言，時間間隔設(shè)置為1fs(10-12s)是能夠滿足計算要求的。圖1-3簡單的分子動力學(xué)模擬算法示意圖Fig.1-3Asimpleschematicdiagramformoleculardynamics.圖1-3所示的方法是時間不可逆的。例如體系下一時刻的速度(+)=()+()，那么反過來卻有′()=(+)(+)，顯然有()≠′()。因此使用這種方法是不可逆的。


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