本文關(guān)鍵詞： 非晶合金 分子動(dòng)力學(xué) 快速凝固 微觀結(jié)構(gòu) 粘度 擴(kuò)散　出處：《燕山大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：非晶合金具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能,是一類應(yīng)用前景廣闊的新型先進(jìn)材料。近20年來,Zr基非晶合金的研究工作取得了巨大進(jìn)展,其具有高強(qiáng)度、高韌性、抗輻照、耐低溫和抗原子氧腐蝕等特殊性能,廣泛的應(yīng)用于核工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域。Zr基非晶合金優(yōu)異的性能源于特殊的微觀原子結(jié)構(gòu)。本文選取Zr-Cu二元合金為研究對象,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,對合金熔體快速凝固過程中,過冷液態(tài)、玻璃轉(zhuǎn)變過程和非晶固態(tài)三個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)演化及其對動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下:運(yùn)用雙體分布函數(shù)、配位數(shù)、鍵對、鍵角和Voronoi多面體等結(jié)構(gòu)分析方法,研究了Zr-Cu合金凝固過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。雙體分布函數(shù)及配位數(shù)分析發(fā)現(xiàn)Zr原子和Cu原子周圍的局域結(jié)構(gòu)的差異以及異質(zhì)原子的強(qiáng)烈交互作用。Voronoi多面體和鍵對分析發(fā)現(xiàn)Zr-Cu合金處于過冷液態(tài)時(shí),團(tuán)簇表現(xiàn)出五次對稱較熔融態(tài)時(shí)加強(qiáng)的特點(diǎn),但團(tuán)簇相互鏈接性不強(qiáng)。Zr-Cu合金在玻璃轉(zhuǎn)變過程中,具有更高五次對稱性的團(tuán)簇含量增加,團(tuán)簇配位數(shù)增加且具有飽和性鍵對的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)增加;二十面體團(tuán)簇相互鏈接性顯著增加并且以嵌套鏈接為主。以上幾種結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化初步闡明了微觀結(jié)構(gòu)的演化與玻璃轉(zhuǎn)變之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。本文利用格林庫伯公式對過冷熔體的粘度進(jìn)行模擬計(jì)算,在微觀結(jié)構(gòu)演化對粘度影響的計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),合金熔體在快速凝固過程中Voronoi熵減小,粘度提高。不同的冷卻條件對粘度的影響明顯,冷卻速率增加或壓力減少,導(dǎo)致粘度下降,且Voronoi熵增加,在模擬范圍內(nèi)粘度對溫度最敏感,壓力和冷速對粘度的影響較小。計(jì)算過程中驗(yàn)證了熔體粘度與溫度的關(guān)系符合Arrhenius關(guān)系:????/expRTEA。粘度與Voronoi熵的關(guān)系符合Adam-Gibbs關(guān)系:??C??expTSCA,揭示出玻璃轉(zhuǎn)變過程中合金熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的相關(guān)性。進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),Voronoi熵降低的主要原因是系統(tǒng)形成以二十面體團(tuán)簇為主的結(jié)構(gòu),增加了非晶合金的穩(wěn)定性和有序度,使原子集團(tuán)重排和躍遷更加困難,導(dǎo)致粘度增加。本文研究了Zr-Cu合金快冷凝固過程中微觀結(jié)構(gòu)演化對擴(kuò)散的影響,模擬發(fā)現(xiàn)隨著冷速降低、壓力增強(qiáng)和溫度降低都使體系中五次對稱性增加,尤其在玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近,而且五次對稱性在空間的分布不均勻。通過計(jì)算原子均方位移發(fā)現(xiàn)五次對稱性小于0.3的原子具有較快的擴(kuò)散行為,在0.7和1之間的原子擴(kuò)散緩慢,驗(yàn)證了五次對稱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。利用愛因斯坦公式對合金自擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低、壓力升高或者冷速降低自擴(kuò)散系數(shù)減小,尤其在玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近;通過非高斯參數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散行為在空間上是不均勻的。擴(kuò)散激活能的減小是導(dǎo)致自擴(kuò)散系數(shù)增加的重要原因。擴(kuò)散系數(shù)與五次對稱性符合公式D=Aexp(C/Td5)的關(guān)系,揭示了快速凝固過程中合金微觀結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)具有內(nèi)在聯(lián)系。
[Abstract]:Amorphous alloys have excellent physical and chemical properties, is a kind of new advanced materials has broad application prospects. In the past 20 years, the study of Zr based amorphous alloys have made great progress, which has high strength, high toughness, anti radiation, low temperature resistance and anti corrosion of atomic oxygen, widely used in the nuclear industry and aerospace fields of.Zr based amorphous alloy excellent in atomic energy structure. This paper selects Zr-Cu two alloy as the research object, using molecular dynamics simulations on the melt rapid solidification process, supercooled liquid state, the glass transition of amorphous solid and three temperature range the evolution of the atomic structure and its influence on the dynamic properties were studied. The specific contents are as follows: using the pair distribution function, coordination number, the key, analysis method of bond angle and Voronoi polyhedron structure of Zr-Cu Alloy Condenser The evolution of microstructure in the process of solid law. Analysis of the pair distribution function and coordination number found differences in local structure around Zr atoms and Cu atoms and strong interaction of heterogeneous atoms.Voronoi polyhedron and the pair analysis found Zr-Cu alloy in the supercooled liquid, strengthen the characteristics of clusters exhibit five fold symmetry is the melting of however, the clusters are linked to each other is not strong.Zr-Cu alloy during the glass transition has increased five times higher symmetry clusters in clusters, the coordination number increases with cluster structure to increase the saturated bond; twenty surface clusters linked significantly increased and the nested links changes. The above several structural parameters preliminarily explained the relation between evolution and microstructure of the glass transition. By using the Green Kolb formula of undercooled melt viscosity were simulated in microstructure To calculate evolution process on viscosity of Voronoi alloy melt in rapid solidification process of entropy decreases, the viscosity increased. Effects of different cooling conditions on viscosity obviously, the cooling rate increase or reduce the pressure, resulting in decreased viscosity and Voronoi entropy increase in the simulation range of viscosity is the most sensitive to temperature, pressure and cold the speed had little effect on the viscosity. The calculation process to verify the relationship between viscosity and temperature conforms to the Arrhenius relationship:???? /expRTEA. viscosity and Voronoi entropy is consistent with the Adam-Gibbs?? C?? expTSCA, reveals the correlation between thermodynamics and kinetics of glass transition in the process of alloy structure. Further analysis found that the main reason Voronoi is the system structure entropy decreased to twenty face clusters mainly, increase the stability of amorphous alloy and the order of the group, the atomic rearrangement and transition more difficult, leading to viscosity Increase. This paper studies the Zr-Cu alloy diffusion effect on the microstructure evolution of the rapid solidification process, simulation shows that with the cooling rate decreased, and the decrease of temperature the pressure increase five times increase the symmetry of the system, especially in the glass transition temperature near five times and the distribution of symmetry in space by computing is not uniform. The atomic mean square displacement found five symmetry less than 0.3 atoms with the diffusion behavior of fast, slow diffusion in 0.7 and 1 between the atoms, verified five symmetrical structure stability. By using the Einstein formula of self diffusion coefficient were calculated and found that with the decrease of temperature, pressure or cooling rate decreased self diffusion the glass transition temperature coefficient, especially in the vicinity; calculated by non Gauss parameters that the diffusion behavior is not uniform in space. The diffusion activation energy decrease is the result of self diffusion coefficient. The important reason for the addition is the relationship between the diffusion coefficient and the five order symmetry conforms to the formula D=Aexp (C/Td5). It reveals that the microstructure and dynamics of the alloy are closely related to the process of rapid solidification.

【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.414

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本文編號：1491634