【摘要】：金屬鎂及其合金被稱為“21世紀綠色工程金屬材料”,近年來在航空航天、軍事、醫(yī)藥化工及汽車工業(yè)等領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用深受重視。然而,由于塑性較差,鎂合金的應(yīng)用仍受到一定限制,通過凝固過程控制改善鎂合金的凝固組織是提高其綜合性能的重要手段。除了實驗研究手段以外,以分子動力學(xué)方法為代表的計算機模擬逐漸受到重視,成為材料科學(xué)研究中的主要手段。通過分子動力學(xué)方法研究金屬熔體的固液界面有助于加深我們對凝固形核與晶體生長機制的理解,還能得到許多實驗上無法獲得的重要信息。本文采用經(jīng)典分子動力學(xué)方法分別模擬計算了Mg-Al二元合金熔體中固液界面的結(jié)構(gòu)及特性。首先,對Mg-3Al合金熔體中不同取向固液界面的結(jié)構(gòu)及特性進行研究。利用分子動力學(xué)方法和EAM勢函數(shù)計算了合金體系的熔點,并構(gòu)建模型,采用數(shù)密度分布、均方位移、擴散系數(shù)和二維徑向分布函數(shù)等微觀結(jié)構(gòu)分析及表征方法,對Mg-3Al二元合金的三個不同取向的固液界面——(0001)、(~—1010)、(~—12~—10)界面結(jié)構(gòu)及特性進行了模擬計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Mg-3Al合金三個不同固液界面均是粗糙界面,固相與液相之間存在著過渡區(qū)域,這些區(qū)域受到固相與液相的共同作用,導(dǎo)致其特征既不同于固相,也不同于液相。對沿著垂直于固液界面的法向量的數(shù)密度分布進行分析,發(fā)現(xiàn)數(shù)密度分布呈現(xiàn)出了各向異性。另外,不同取向的固液界面附近原子層的擴散系數(shù)存在差異。同時,同一固液界面的不同方向的擴散存在著各向異性,平行于界面的擴散系數(shù)顯然要比垂直于界面的擴散系數(shù)更大。對固液界面的二維徑向分布函數(shù)以及可視化分析結(jié)果表明,固相往液相的轉(zhuǎn)變發(fā)生在界面附近的幾層原子層,其二維徑向分布函數(shù)表現(xiàn)出長程有序到短程有序、長程無序的漸變。其次,對Mg-xAl(x=3,6)合金中基于純Mg為固相的固液界面結(jié)構(gòu)及特性進行研究。構(gòu)建了以純Mg為固相、Mg-3Al或Mg-6Al合金為液相,以垂直于(0001)面為界面法向量的固液界面模型,采用分子動力學(xué)方法和數(shù)密度分布、擴散系數(shù)、徑向分布函數(shù)以及可視化分析等表征方法,著重比較了不同Al含量液相對界面處原子擴散的影響。研究結(jié)果表明,以固液共存法計算得到的Mg-6Al合金的熔點為746K,較Mg-3Al合金的熔點(761K)更低,符合實際。對這兩個體系的數(shù)密度分布進行分析,兩個體系的數(shù)密度分布情況大體一致,靠近界面的固相中的Mg原子會與液相中的Mg原子和Al原子發(fā)生置換型擴散,液相中的Al原子濃度對Mg原子的擴散有一定的影響,Al原子濃度的升高會在一定程度上使Mg原子的置換型擴散減弱。而對其原子層的擴散系數(shù)及不同原子的均方位移進行分析發(fā)現(xiàn),從固相到液相,擴散系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢,Al原子的擴散系數(shù)更大,而Mg原子的擴散更具規(guī)律性。計算兩個體系的二維徑向分布函數(shù)得知,晶體的有序度會使得液相發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變,固相到液相的有序度是逐漸降低的,且Al原子的濃度可能會影響界面過渡層的層數(shù)。通過對界面附近的若干層原子進行可視化分析,固相中的Mg原子會與液相中的Mg原子及Al原子會發(fā)生置換型擴散。不同液相所組成的固液界面,其過渡層的原子層數(shù)并不相同。對同一過渡原子層不同時刻進行可視化分析發(fā)現(xiàn),該原子層的不同原子的濃度和位置隨時間的變化而變化,但整體保持著晶體的結(jié)構(gòu)特征。
【圖文】：

面結(jié)構(gòu)(a)粗糙界面的微觀結(jié)構(gòu)；(b)光滑界面的微觀結(jié)構(gòu)；(c)粗結(jié)構(gòu)；(d)光滑界面的宏觀結(jié)構(gòu)。 The structure of solid-liquid interface. (a)microstructure of rough ture of smooth interface; (c)macrostructure of rough interface; (d)msmooth interface.面是一個具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域，不能簡單的看作于固液兩相交界處的原子會受到界面附近 1~100nm 區(qū)面會受到固相與液相的共同作用，特征結(jié)構(gòu)與單純的別。對固液界面進行微觀研究，我們可以獲取界面的及液相結(jié)構(gòu)的差異，同時得到其他一些重要信息，如核、界面處的溶質(zhì)分配現(xiàn)象等等[21]。面的研究現(xiàn)狀界面進行研究，可以使我們更加全面的了解和認識一

1.2 液態(tài)鋁和固體藍寶石固液界面。插圖來自文獻[3quid interface of liquid aluminum and solid sapphire. Illuliterature [31].學(xué)模擬方面，研究人員對眾多體系進行了研究J 體系[32,33]、硬球體系[34]以及簡單金屬體系[35,3了分析討論。肖均江、呂琳琳等人[37]用分子動不同晶向的平衡固液界面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用不并不相同，但不同方向的界面寬度都有著[00從固相到液相中也是逐漸遞減，這倒與異質(zhì)固Buta 等人[38]在對 Si 的固液界面結(jié)構(gòu)進行研究結(jié)構(gòu)是不同的，其(100)界面是一個粗糙界面， 1.3 所示。界面方面，，楊洋等人[39]對異質(zhì) Al-Pb 合金進行有差異，其(100)和(111)方向界面是粗糙界面，
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.22

【參考文獻】

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本文編號：2664057