Mg-Al二元合金熔体中固液界面结构与特性的分子动力学研究

发布时间：2020-05-14 22:52

【摘要】：金属镁及其合金被称为“21世纪绿色工程金属材料”,近年来在航空航天、军事、医药化工及汽车工业等领域的推广和应用深受重视。然而,由于塑性较差,镁合金的应用仍受到一定限制,通过凝固过程控制改善镁合金的凝固组织是提高其综合性能的重要手段。除了实验研究手段以外,以分子动力学方法为代表的计算机模拟逐渐受到重视,成为材料科学研究中的主要手段。通过分子动力学方法研究金属熔体的固液界面有助于加深我们对凝固形核与晶体生长机制的理解,还能得到许多实验上无法获得的重要信息。本文采用经典分子动力学方法分别模拟计算了Mg-Al二元合金熔体中固液界面的结构及特性。首先,对Mg-3Al合金熔体中不同取向固液界面的结构及特性进行研究。利用分子动力学方法和EAM势函数计算了合金体系的熔点,并构建模型,采用数密度分布、均方位移、扩散系数和二维径向分布函数等微观结构分析及表征方法,对Mg-3Al二元合金的三个不同取向的固液界面——(0001)、(~—1010)、(~—12~—10)界面结构及特性进行了模拟计算。结果发现,Mg-3Al合金三个不同固液界面均是粗糙界面,固相与液相之间存在着过渡区域,这些区域受到固相与液相的共同作用,导致其特征既不同于固相,也不同于液相。对沿着垂直于固液界面的法向量的数密度分布进行分析,发现数密度分布呈现出了各向异性。另外,不同取向的固液界面附近原子层的扩散系数存在差异。同时,同一固液界面的不同方向的扩散存在着各向异性,平行于界面的扩散系数显然要比垂直于界面的扩散系数更大。对固液界面的二维径向分布函数以及可视化分析结果表明,固相往液相的转变发生在界面附近的几层原子层,其二维径向分布函数表现出长程有序到短程有序、长程无序的渐变。其次,对Mg-xAl(x=3,6)合金中基于纯Mg为固相的固液界面结构及特性进行研究。构建了以纯Mg为固相、Mg-3Al或Mg-6Al合金为液相,以垂直于(0001)面为界面法向量的固液界面模型,采用分子动力学方法和数密度分布、扩散系数、径向分布函数以及可视化分析等表征方法,着重比较了不同Al含量液相对界面处原子扩散的影响。研究结果表明,以固液共存法计算得到的Mg-6Al合金的熔点为746K,较Mg-3Al合金的熔点(761K)更低,符合实际。对这两个体系的数密度分布进行分析,两个体系的数密度分布情况大体一致,靠近界面的固相中的Mg原子会与液相中的Mg原子和Al原子发生置换型扩散,液相中的Al原子浓度对Mg原子的扩散有一定的影响,Al原子浓度的升高会在一定程度上使Mg原子的置换型扩散减弱。而对其原子层的扩散系数及不同原子的均方位移进行分析发现,从固相到液相,扩散系数呈现出单调递增的趋势,Al原子的扩散系数更大,而Mg原子的扩散更具规律性。计算两个体系的二维径向分布函数得知,晶体的有序度会使得液相发生一定的转变,固相到液相的有序度是逐渐降低的,且Al原子的浓度可能会影响界面过渡层的层数。通过对界面附近的若干层原子进行可视化分析,固相中的Mg原子会与液相中的Mg原子及Al原子会发生置换型扩散。不同液相所组成的固液界面,其过渡层的原子层数并不相同。对同一过渡原子层不同时刻进行可视化分析发现,该原子层的不同原子的浓度和位置随时间的变化而变化,但整体保持着晶体的结构特征。
【图文】：

粗糙界面,宏观结构,微观结构,固液界面

面结构(a)粗糙界面的微观结构；(b)光滑界面的微观结构；(c)粗结构；(d)光滑界面的宏观结构。 The structure of solid-liquid interface. (a)microstructure of rough ture of smooth interface; (c)macrostructure of rough interface; (d)msmooth interface.面是一个具有复杂结构的过渡区域，不能简单的看作于固液两相交界处的原子会受到界面附近 1~100nm 区面会受到固相与液相的共同作用，特征结构与单纯的别。对固液界面进行微观研究，我们可以获取界面的及液相结构的差异，同时得到其他一些重要信息，如核、界面处的溶质分配现象等等[21]。面的研究现状界面进行研究，可以使我们更加全面的了解和认识一

液态铝,固液界面,宝石

1.2 液态铝和固体蓝宝石固液界面。插图来自文献[3quid interface of liquid aluminum and solid sapphire. Illuliterature [31].学模拟方面，研究人员对众多体系进行了研究J 体系[32,33]、硬球体系[34]以及简单金属体系[35,3了分析讨论。肖均江、吕琳琳等人[37]用分子动不同晶向的平衡固液界面，结果发现，采用不并不相同，但不同方向的界面宽度都有着[00从固相到液相中也是逐渐递减，这倒与异质固Buta 等人[38]在对 Si 的固液界面结构进行研究结构是不同的，其(100)界面是一个粗糙界面， 1.3 所示。界面方面，，杨洋等人[39]对异质 Al-Pb 合金进行有差异，其(100)和(111)方向界面是粗糙界面，
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】