材料的宏觀性質(zhì)取決于微觀結(jié)構(gòu),隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)材料的要求也日益提高,具有各種功能的材料,尤其是金屬材料,成為社會(huì)發(fā)展不可缺少的部分。作為獲取金屬材料最為重要和常見(jiàn)的過(guò)程—凝固,人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)多停留在工藝尺度上,而對(duì)其機(jī)理的研究還不夠深入,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)凝固機(jī)理對(duì)凝固工藝的優(yōu)化控制是十分重要的。近年來(lái),隨著計(jì)算技術(shù)和凝固理論的發(fā)展以及多學(xué)科交叉不斷深入,人們對(duì)金屬凝固過(guò)程機(jī)理產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí),認(rèn)識(shí)凝固機(jī)理不僅要通過(guò)冶金和材料的方法,更要借助固體物理、化學(xué)和量子力學(xué)等學(xué)科的研究方法�；诙叫魏死碚�,借助計(jì)算機(jī)工作站,運(yùn)用材料模擬軟件(Materials Studio 7.0,MS)對(duì)純鐵液的凝固過(guò)程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及包括固態(tài)氧化物在內(nèi)的氧化物—鐵液界面的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程進(jìn)行了模擬,探究了凝固過(guò)程機(jī)理,具體可以概括為:第一,采用GULP分子動(dòng)力學(xué)程序包模擬了包含2000個(gè)Fe原子的鐵液體系的降溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程,結(jié)果顯示體系的凝固經(jīng)歷了一個(gè)由液態(tài)無(wú)序結(jié)構(gòu)→局域短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)(團(tuán)簇)→較大區(qū)域有序結(jié)構(gòu)→規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程。第二,用基于量子力學(xué)的DMol3第一性原理程序包計(jì)算了包含F(xiàn)e原子個(gè)數(shù)為2-10的鐵團(tuán)簇(Fe)n的熱力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)分析熵(S)、焓(H)、零點(diǎn)能(E(0K))以及恒壓熱容(Cp)隨溫度及原子個(gè)數(shù)的變化,結(jié)果表明:(1)(Fe)n的Cp、H、S均隨溫度的升高而增大,隨原子個(gè)數(shù)n的增加而增大,振動(dòng)自由能(Gv)隨溫度T的升高而減小,且在100-300K之間Gv曲線(xiàn)呈現(xiàn)兩兩交叉,說(shuō)明在此范圍內(nèi)鐵團(tuán)簇的穩(wěn)定性發(fā)生了選擇性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象;(2)隨原子個(gè)數(shù)增多,0K時(shí)的能量E(0K)隨原子個(gè)數(shù)n的增加而降低,說(shuō)明0K下大團(tuán)簇比小團(tuán)簇更穩(wěn)定;(3)從整個(gè)過(guò)程來(lái)看,團(tuán)簇的熱力學(xué)性質(zhì)隨原子個(gè)數(shù)的變化較大,說(shuō)明它們之間可能存在尺寸依賴(lài)效應(yīng)。第三,在建立的鐵-氧化物界面體系下模擬了界面性質(zhì)隨原子個(gè)數(shù)及氧化物種類(lèi)之間的關(guān)系,模擬發(fā)現(xiàn)隨鐵原子個(gè)數(shù)在氧化物增多,體系的總能量和束縛能均降低,從鐵團(tuán)簇在基底上生長(zhǎng)的界面結(jié)構(gòu)分析可以看出,較大的鐵團(tuán)簇((Fe)4)在α-Al2O3上生長(zhǎng)時(shí)顯著影響α-Al2O3表面層原子的穩(wěn)定性,模擬體系出現(xiàn)“漂移”現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常,說(shuō)明原子數(shù)較多(n3)的鐵團(tuán)簇難以在α-Al2O3基底上穩(wěn)定生長(zhǎng),但TiO2基底對(duì)于同樣大小的團(tuán)簇則沒(méi)有出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。最后,實(shí)驗(yàn)上做了一個(gè)純鐵熔化凝固過(guò)程的DSC分析,從結(jié)果上來(lái)看相變發(fā)生的溫度與我們所知的相變點(diǎn)溫度相差不大,可以得到大致的相變信息。
【學(xué)位單位】：遼寧科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類(lèi)】：TF701

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