【摘要】：金屬鎂及其合金被稱(chēng)為“21世紀(jì)綠色工程金屬材料”,近年來(lái)在航空航天、軍事、醫(yī)藥化工及汽車(chē)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(guò)凝固過(guò)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(shí)驗(yàn)研究手段以外,以分子動(dòng)力學(xué)方法為代表的計(jì)算機(jī)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法研究金屬熔體的固液界面有助于加深我們對(duì)凝固形核與晶體生長(zhǎng)機(jī)制的理解,還能得到許多實(shí)驗(yàn)上無(wú)法獲得的重要信息。本文采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法分別模擬計(jì)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(duì)Mg-3Al合金熔體中不同取向固液界面的結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行研究。利用分子動(dòng)力學(xué)方法和EAM勢(shì)函數(shù)計(jì)算了合金體系的熔點(diǎn),并構(gòu)建模型,采用數(shù)密度分布、均方位移、擴(kuò)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(duì)Mg-3Al二元合金的三個(gè)不同取向的固液界面——(0001)、(~—1010)、(~—12~—10)界面結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Mg-3Al合金三個(gè)不同固液界面均是粗糙界面,固相與液相之間存在著過(guò)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(duì)沿著垂直于固液界面的法向量的數(shù)密度分布進(jìn)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(kuò)散系數(shù)存在差異。同時(shí),同一固液界面的不同方向的擴(kuò)散存在著各向異性,平行于界面的擴(kuò)散系數(shù)顯然要比垂直于界面的擴(kuò)散系數(shù)更大。對(duì)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(zhǎng)程有序到短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的漸變。其次,對(duì)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(jìn)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(dòng)力學(xué)方法和數(shù)密度分布、擴(kuò)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(duì)界面處原子擴(kuò)散的影響。研究結(jié)果表明,以固液共存法計(jì)算得到的Mg-6Al合金的熔點(diǎn)為746K,較Mg-3Al合金的熔點(diǎn)(761K)更低,符合實(shí)際。對(duì)這兩個(gè)體系的數(shù)密度分布進(jìn)行分析,兩個(gè)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(huì)與液相中的Mg原子和Al原子發(fā)生置換型擴(kuò)散,液相中的Al原子濃度對(duì)Mg原子的擴(kuò)散有一定的影響,Al原子濃度的升高會(huì)在一定程度上使Mg原子的置換型擴(kuò)散減弱。而對(duì)其原子層的擴(kuò)散系數(shù)及不同原子的均方位移進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),從固相到液相,擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢(shì),Al原子的擴(kuò)散系數(shù)更大,而Mg原子的擴(kuò)散更具規(guī)律性。計(jì)算兩個(gè)體系的二維徑向分布函數(shù)得知,晶體的有序度會(huì)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(huì)影響界面過(guò)渡層的層數(shù)。通過(guò)對(duì)界面附近的若干層原子進(jìn)行可視化分析,固相中的Mg原子會(huì)與液相中的Mg原子及Al原子會(huì)發(fā)生置換型擴(kuò)散。不同液相所組成的固液界面,其過(guò)渡層的原子層數(shù)并不相同。對(duì)同一過(guò)渡原子層不同時(shí)刻進(jìn)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(shí)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(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域，不能簡(jiǎn)單的看作于固液兩相交界處的原子會(huì)受到界面附近 1~100nm 區(qū)面會(huì)受到固相與液相的共同作用，特征結(jié)構(gòu)與單純的別。對(duì)固液界面進(jìn)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(shí)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(jìn)行研究，可以使我們更加全面的了解和認(rèn)識(shí)一

1.2 液態(tài)鋁和固體藍(lán)寶石固液界面。插圖來(lái)自文獻(xiàn)[3quid interface of liquid aluminum and solid sapphire. Illuliterature [31].學(xué)模擬方面，研究人員對(duì)眾多體系進(jìn)行了研究J 體系[32,33]、硬球體系[34]以及簡(jiǎn)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(dòng)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(duì) Si 的固液界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究結(jié)構(gòu)是不同的，其(100)界面是一個(gè)粗糙界面， 1.3 所示。界面方面，，楊洋等人[39]對(duì)異質(zhì) Al-Pb 合金進(jìn)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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