纯铁液凝固形核机理和铁—氧化物界面结构研究

发布时间：2020-09-01 11:42

　　 材料的宏观性质取决于微观结构,随着社会的发展,人们对材料的要求也日益提高,具有各种功能的材料,尤其是金属材料,成为社会发展不可缺少的部分。作为获取金属材料最为重要和常见的过程—凝固,人们对它的认识多停留在工艺尺度上,而对其机理的研究还不够深入,准确认识凝固机理对凝固工艺的优化控制是十分重要的。近年来,随着计算技术和凝固理论的发展以及多学科交叉不断深入,人们对金属凝固过程机理产生了新的认识,认识凝固机理不仅要通过冶金和材料的方法,更要借助固体物理、化学和量子力学等学科的研究方法。基于二步形核理论,借助计算机工作站,运用材料模拟软件(Materials Studio 7.0,MS)对纯铁液的凝固过程的热力学、动力学以及包括固态氧化物在内的氧化物—铁液界面的结构演化过程进行了模拟,探究了凝固过程机理,具体可以概括为:第一,采用GULP分子动力学程序包模拟了包含2000个Fe原子的铁液体系的降温动力学过程,结果显示体系的凝固经历了一个由液态无序结构→局域短程有序和长程无序结构(团簇)→较大区域有序结构→规则晶体结构的过程。第二,用基于量子力学的DMol3第一性原理程序包计算了包含Fe原子个数为2-10的铁团簇(Fe)n的热力学性质。通过分析熵(S)、焓(H)、零点能(E(0K))以及恒压热容(Cp)随温度及原子个数的变化,结果表明:(1)(Fe)n的Cp、H、S均随温度的升高而增大,随原子个数n的增加而增大,振动自由能(Gv)随温度T的升高而减小,且在100-300K之间Gv曲线呈现两两交叉,说明在此范围内铁团簇的稳定性发生了选择性转变现象;(2)随原子个数增多,0K时的能量E(0K)随原子个数n的增加而降低,说明0K下大团簇比小团簇更稳定;(3)从整个过程来看,团簇的热力学性质随原子个数的变化较大,说明它们之间可能存在尺寸依赖效应。第三,在建立的铁-氧化物界面体系下模拟了界面性质随原子个数及氧化物种类之间的关系,模拟发现随铁原子个数在氧化物增多,体系的总能量和束缚能均降低,从铁团簇在基底上生长的界面结构分析可以看出,较大的铁团簇((Fe)4)在α-Al2O3上生长时显著影响α-Al2O3表面层原子的稳定性,模拟体系出现“漂移”现象,结构出现异常,说明原子数较多(n3)的铁团簇难以在α-Al2O3基底上稳定生长,但TiO2基底对于同样大小的团簇则没有出现这样的现象。最后,实验上做了一个纯铁熔化凝固过程的DSC分析,从结果上来看相变发生的温度与我们所知的相变点温度相差不大,可以得到大致的相变信息。
【学位单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF701

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐雪蓉,李言祥,王强;热分析铁液质量评估技术的发展历程[J];中国铸造装备与技术;2001年05期

2 姚建生;冲天炉前炉配置盛铁液包[J];机械工人;2001年04期

3 王秀国;炉渣对铁液流动性的影响及防止措施[J];机械工人;2002年03期

4 许朋真;铁液氧化和含气量观察方法的探讨[J];机械工人(热加工);2003年08期

5 马建华;炉前铁液质量控制及铁液质量管理仪[J];铸造技术;2004年04期

6 朱彦方,洪沙德;热分析法在铁液质量在线控制中的应用[J];现代铸铁;2004年04期

7 ;金星钢铁助剂研究所提出“铁液净化理论”[J];机械工人;2005年07期

8 史鉴开 ,史小雨;灰铁液包内孕育浅析[J];机械工人;2005年04期

9 王振峰;林遵峰;潘贻芳;;铁液连续脱硫装置的应用实践[J];铸造技术;2006年05期

10 王长坤;殷作虎;;从提高铁液质量的角度进行铸造过程控制[J];现代铸铁;2007年05期

相关会议论文 前10条

1 蒋祖滨;;现代铁液净化技术[A];首届中国大型铸锻件制造技术发展论坛论文集[C];2006年

2 刘金海;李国禄;曾艺成;陆鑫民;闫晓峰;;铁液纯净度—影响优质铸件生产的重要因素[A];2009中国铸造活动周论文集[C];2009年

3 胡国祥;蒋祖滨;王录才;;冶炼高炉铁液在V法铸造中的应用实践[A];2009中国铸造活动周论文集[C];2009年

4 胡国祥;蒋祖滨;王录才;;冶炼高炉铁液在V法铸造中的应用实践[A];第九届中国铸造科工贸大会论文选集[C];2009年

5 胡国祥;蒋祖滨;王录才;;高炉铁液在V法铸造中的应用实践[A];中国铸造行业第四届高层论坛论文集[C];2009年

6 黄勇;刘吉水;彭乾峰;陈军;;五菱汽车发动机缸体铸造铁液质量控制[A];2008中国铸造活动周论文集[C];2008年

7 康雪;王常珍;田彦文;段宏伟;;碳饱和铁液中磷的传感法研究[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑（上册）[C];2008年

8 郜建全;王常珍;卢文跃;田彦文;;碳饱和铁液中硫活度的传感法研究[A];2006年全国冶金物理化学学术会议论文集[C];2006年

9 蔡教战;;焦炭性能对冲天炉铁液质量的影响[A];第六届21省（市、自治区）4市铸造学术会议论文集[C];2004年

10 段宏伟;田彦文;王常珍;康雪;;碳饱和铁液中锰活度测定的传感法研究[A];2008年全国冶金物理化学学术会议专辑（上册）[C];2008年

相关硕士学位论文 前2条

1 宋玉来;纯铁液凝固形核机理和铁—氧化物界面结构研究[D];辽宁科技大学;2016年

2 李晓微;双通道铁液质量智能化快速分析系统的研究[D];武汉工程大学;2014年

本文编号：2809684