Zr-Cu合金快速凝固过程中微观结构演化及动力学性质的模拟研究
本文关键词: 非晶合金 分子动力学 快速凝固 微观结构 粘度 扩散 出处:《燕山大学》2015年博士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:非晶合金具有优异的物理化学性能,是一类应用前景广阔的新型先进材料。近20年来,Zr基非晶合金的研究工作取得了巨大进展,其具有高强度、高韧性、抗辐照、耐低温和抗原子氧腐蚀等特殊性能,广泛的应用于核工业和航空航天等领域。Zr基非晶合金优异的性能源于特殊的微观原子结构。本文选取Zr-Cu二元合金为研究对象,采用分子动力学模拟方法,对合金熔体快速凝固过程中,过冷液态、玻璃转变过程和非晶固态三个温度区间内的原子结构演化及其对动力学性质的影响进行了研究。具体内容如下:运用双体分布函数、配位数、键对、键角和Voronoi多面体等结构分析方法,研究了Zr-Cu合金凝固过程中的微观结构演化规律。双体分布函数及配位数分析发现Zr原子和Cu原子周围的局域结构的差异以及异质原子的强烈交互作用。Voronoi多面体和键对分析发现Zr-Cu合金处于过冷液态时,团簇表现出五次对称较熔融态时加强的特点,但团簇相互链接性不强。Zr-Cu合金在玻璃转变过程中,具有更高五次对称性的团簇含量增加,团簇配位数增加且具有饱和性键对的团簇结构增加;二十面体团簇相互链接性显著增加并且以嵌套链接为主。以上几种结构参数的变化初步阐明了微观结构的演化与玻璃转变之间的内在关联。本文利用格林库伯公式对过冷熔体的粘度进行模拟计算,在微观结构演化对粘度影响的计算过程中发现,合金熔体在快速凝固过程中Voronoi熵减小,粘度提高。不同的冷却条件对粘度的影响明显,冷却速率增加或压力减少,导致粘度下降,且Voronoi熵增加,在模拟范围内粘度对温度最敏感,压力和冷速对粘度的影响较小。计算过程中验证了熔体粘度与温度的关系符合Arrhenius关系:????/expRTEA。粘度与Voronoi熵的关系符合Adam-Gibbs关系:??C??expTSCA,揭示出玻璃转变过程中合金热力学与动力学的相关性。进一步结构分析发现,Voronoi熵降低的主要原因是系统形成以二十面体团簇为主的结构,增加了非晶合金的稳定性和有序度,使原子集团重排和跃迁更加困难,导致粘度增加。本文研究了Zr-Cu合金快冷凝固过程中微观结构演化对扩散的影响,模拟发现随着冷速降低、压力增强和温度降低都使体系中五次对称性增加,尤其在玻璃转变温度附近,而且五次对称性在空间的分布不均匀。通过计算原子均方位移发现五次对称性小于0.3的原子具有较快的扩散行为,在0.7和1之间的原子扩散缓慢,验证了五次对称结构的稳定性。利用爱因斯坦公式对合金自扩散系数进行模拟计算,发现随着温度降低、压力升高或者冷速降低自扩散系数减小,尤其在玻璃转变温度附近;通过非高斯参数的计算发现扩散行为在空间上是不均匀的。扩散激活能的减小是导致自扩散系数增加的重要原因。扩散系数与五次对称性符合公式D=Aexp(C/Td5)的关系,揭示了快速凝固过程中合金微观结构与动力学具有内在联系。
[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.
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG146.414
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 张勇;周云军;陈国良;;快速发展中的高熵溶体合金[J];物理;2008年08期
2 梁秀兵;魏敏;程江波;张伟;徐滨士;;高熵合金新材料的研究进展[J];材料工程;2009年12期
3 郭娜娜;孙宏飞;牛占蕊;朱海云;李忠丽;;优异特性的集合体——多主元高熵合金[J];新材料产业;2011年01期
4 H·W·罗森伯格,吴之乐;钛的合金化理论与实践[J];稀有金属合金加工;1973年S1期
5 谢自能;熊易芬;;Au-Pd-Fe-Al合金的电阻变化特性[J];贵金属;1981年01期
6 Б.А.Колачев,王国宏;论钛合金的合金系[J];稀有金属材料与工程;1985年01期
7 张陟;;捔-锂系合金最近的开发动向[J];材料导报;1989年02期
8 刘世程,浜口由和,桑野寿;Fe-Cr-Mo,Fe-Cr-W合金中的过渡R相[J];金属学报;1990年06期
9 秦敬玉,边秀房,王伟民,S.I.Sijusarenko,徐昌业,马家骥;铝铁合金熔体的微观多相结构[J];中国科学E辑:技术科学;1998年02期
10 王玲玲,黄维清,邓辉球,李小凡,唐黎明,赵立华;准晶合金形成规律的探讨[J];稀有金属材料与工程;2003年11期
相关会议论文 前10条
1 郭伟;梁秀兵;陈永雄;王林磊;;高熵合金的研究现状与发展趋势[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
2 李宏祥;吕昭平;王善林;李承熏;;工业原材料制备的块体非晶钢合金的形成能力及性能研究[A];2008中国铸造活动周论文集[C];2008年
3 朱志光;张勇;;TiZrNb系高熵合金的组织结构和力学性能[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 张志;王朝龙;余东满;陈春玲;;快速凝固法制备钕基合金磁性材料[A];第八届21省(市、自治区)4市铸造学术年会论文集[C];2006年
5 郑炳铨;冯以盛;陈士仁;;非共晶感温合金的熔断温度[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年
6 李宏祥;吕昭平;王善林;李承熏;;块体非晶钢合金的研究应用现状与展望[A];2009中国铸造活动周论文集[C];2009年
7 张玉平;张津徐;吴建生;梅品修;;Cu-Mn-Zn系合金的色度研究[A];第十届全国相图学术会议论文集[C];2000年
8 尹付成;苏旭平;张平;李智;;Pr-Al合金系的热力学模型[A];2000年材料科学与工程新进展(下)——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年
9 马丽娜;王蓉;郭可信;;急冷合金Al_5Ir中准晶态的研究[A];第五次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1988年
10 庄应烘;;铜基C_u-C_o-C_r-S_i电极合金的研究[A];中国电子学会生产技术分会第五届金属材料及热处理年会论文集(一)[C];1994年
相关重要报纸文章 前2条
1 杨燕群;谢佑卿:探寻合金“类基因”序列的征程[N];科技日报;2005年
2 夏德宏;镁合金的冶金特性与合金化原理[N];中国有色金属报;2011年
相关博士学位论文 前10条
1 高伟;Zr-Cu合金快速凝固过程中微观结构演化及动力学性质的模拟研究[D];燕山大学;2015年
2 宋西贵;合金熔体脆性的广义性研究[D];山东大学;2009年
3 邓辉球;二元合金系表面聚集的计算机模拟研究[D];湖南大学;2001年
4 王玉青;合金熔体的黏滞特性研究[D];山东大学;2007年
5 白延文;合金熔体局域结构及其遗传性研究[D];山东大学;2014年
6 余瑾;合金熔体电子传输性质的温度行为及其与凝固相关性研究[D];合肥工业大学;2009年
7 刘心笔;系统合金科学在Au-Cu合金系中的应用[D];中南大学;2010年
8 雷奕;从稳定准晶制备非晶[D];大连理工大学;2003年
9 蔡安辉;合金玻璃形成能力表征与预测以及块体金属玻璃的制备[D];东南大学;2005年
10 王海燕;远离平衡条件下Fe-Si合金的结构演化及β-FeSi_2相的形成[D];燕山大学;2005年
相关硕士学位论文 前10条
1 朱建波;高熵合金的制备及合金元素对组织与性能的影响[D];吉林大学;2013年
2 魏文博;Mg-10%Ca-6%Zn合金力学及腐蚀性能研究[D];长安大学;2015年
3 丁婷婷;Al、Cu含量对高熵合金组织及性能的影响[D];沈阳理工大学;2015年
4 李浩;Al-Cu和Al-Ni二元合金系的液态结构研究[D];山东大学;2015年
5 孟苓苓;Cu-Zr-Ag系合金非晶形成及结构研究[D];山东大学;2015年
6 齐玉;Cu-Co液相分离型合金熔体表征及凝固过程研究[D];山东大学;2015年
7 尚秉纲;Co及Nb添加对Cu-Zr-Al非晶复合材料微观组织及力学性能影响[D];哈尔滨工业大学;2015年
8 朱智轩;CoCrCuFeMoNi系高熵合金的组织与性能研究[D];江苏科技大学;2015年
9 郭军卫;AZ31+l%RE+l%Sb镁合金中球状稀土相形成研究[D];郑州大学;2015年
10 郭建斌;五元难熔高熵合金的组织结构与力学性能研究[D];北京理工大学;2015年
,本文编号:1491634
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/1491634.html