金属形核及固/液界面能的分子动力学模拟【摘要】 固液界面能是过冷熔体形核生长理论中极其重要的物理量,它对于凝固过程中的形核速率和生长速度及界面结构有重要影响。金属的固液界面能的深入理解对于理解熔体形核及生长过程有很大帮助。本文将形核过程和固液界面能作为一个系统来看待。我们通过实验全面地研究了 Ag、Cu、Ni 体系的固液界面能及形核方式；同时采用分子动力学方法详细地研究了 Ag、Cu、Ni 的均质形核过冷、形核前熔体的晶胚结构同晶核结构的关联、以及 Ni5oCu5o异质形核过程。取得的主要成果有：通过在真空电磁感应加热装置中采用熔融玻璃净化+循环过热的方法对 Ag、Cu、Ni 的过冷规律进行了系统的研究。采用合适的净化工艺,使其分别获得了263K、257K、340K 的过冷度。采用最大过冷度法,我们计算得到在这些过冷度下对应的固液界面能值分别为：0.1388Jm-2、0.1939Jm-2、0.27631Jm-2。这和有关固液界面能模型所预测的界面能吻合得很好。为了判定这些金属的形核方式,我们通过相关固液界面能模型计算得到了实际工艺参数下的均质形核过冷度,也和我们得到的实验值很接近,表明了在这些过冷度下,Ag、Cu、Ni 的形核方式接近. 更多还原【Abstract】 The solid/liquid interface energy is an important physical parameter describing nucleation and growth process in solidification theory. It plays a central role in the determination of nucleation rate, growth rate and the morphologies of crystals. In order to comprehend the essences of the nucleation and the growth of crystal, it is necessary to achieve a further understanding of the solid/liquid interface energy. The present dissertation systematically carried out investigations on the undercool. 更多还原 【关键词】 固/液界面能； 匀质形核； 异质形核； 过冷度； 分子动力学模拟； 【Key words】 Solid/liquid interface energy； homogeneous nucleation； heterogeneous nucleation； undercooling； molecular 摘要 3-5 Abstract 5-6 主要符号表 8-12 1 绪论 12-32 1.1 固/液界面能的研究背景、现状、目的和意义 12-13 1.1.1 固/液界面能的研究背景 12-13 1.2 目前研究金属固/液界面能的方法 13-21 1.2.1 形核过冷与固/液界面能 13-15 1.2.2 临界转变过冷度法 15 1.2.3 热力学形核公式法 15-17 1.2.4 形核过冷度法 17-18 1.2.5 界面涨落法 18-20 1.2.6 劈开法 20-21 1.3 金属固/液界面能的研究现状 21-26 1.3.1 固/液界面能理论进展 21-25 1.3.2 固/液界面能实验及模拟进展 25-26 1.4 固/液界面能的研究目和意义 26-27 1.5 固/液界面能的研究具体实施方案及内容 27-28 1.5.1 模拟计算方案选择 28 1.6 过冷及固/液界面能的研究所涉及的理论背景及技术 28-32 1.6.1 金属熔体的凝固与过冷度 28-29 1.6.2 分子动力学模拟方法测量金属的熔点 29-30 1.6.3 径向分布函数(RDF) 30 1.6.4 H-A 键型指数 30 1.6.5 键取向序分析(BOP) 30-31 1.6.6 晶团分析 31-32 2 实验/模拟设施及其调试 32-41 2.1 实验设施 32-35 2.1.1 实验设备简介 32 2.1.2 红外测温仪的原理及安装调试 32-35 2.2 模拟计算设施及调试 35 2.3 实验原理及实验内容 35-37 2.3.1 实验原理 35-36 2.3.2 实验流程 36-37 2.4 金属的过冷及凝固组织特征 37-39 2.4.1 实验目的 37 2.4.2 实验内容 37 2.4.3 实验设备 37 2.4.4 实验步骤 37-39 2.6 金属固/液界面能和均质形核过冷度的分子动力学模拟 39 2.6.1 实验目的 39 2.6.2 实验过程 39 2.7 银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟 39-40 2.7.1 实验目的 39 2.7.2 实验内容 39-40 2.7.3 实验步骤 40 2.8 过冷 Ni_(50)Cu_(50)熔体均质/异质形核的分子动力学模拟 40-41 2.8.1 实验目的 40 2.8.2 实验内容 40 2.8.3 实验步骤 40-41 3 金属的过冷及凝固组织特征 41-53 3.1 净化工艺对金属过冷度的影响 41-42 3.1.1 过热度对金属 Ag、Cu 过冷度的影响 41-42 3.1.2 循环次数对 Ag、Cu、Ni 过冷度的影响 42 3.2 净化剂成分对金属过冷度的影响 42-44 3.2.1 净化剂的成分对金属 Ag 过冷度的影响 42-43 3.2.2 净化剂成分对金属铜过冷度的影响 43-44 3.2.3 净化剂成分对金属镍过冷度的影响 44 3.3 过冷度对金属组织的影响 44-47 3.3.1 过冷度对 Ag 凝固组织的影响 44-45 3.3.2 过冷度对 Ni 凝固组织的影响 45-46 3.3.3 过冷度对 Ag、Cu、Ni 凝固组织影响规律及验证 46-47 3.4 Ag、Cu、Ni 过冷状态下固/液界面能的计算 47-50 3.5 金属 Ag、Cu、Ni 的形核方式判定 50-52 3.6 本章小结 52-53 4 金属界面能和均质形核过冷的分子动力学模拟 53-64 4.1 引言 53-54 4.2 从均质形核过冷确定金属固/液界面能 54-60 4.2.1 金属固/液界面能同均质形核过冷的关系 54 4.2.2 从实验测量的均质形核过冷度确定固/液界面能 54-56 4.2.3 从模拟得到的均质形核过冷度确定固/液界面能 56-57 4.2.4 从固/液界面能模型预测金属均质形核过冷度 57-59 4.2.5 讨论 59-60 4.3 银抑制形核的临界值 V/R_c 的模拟及预测 60-63 4.3.1 银抑制形核的临界值 V/R_c 的预测 60 4.3.2 银抑制形核的临界值 V/R_c 的模拟 60-63 4.4 本章小结 63-64 5 银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟 64-72 5.1 模拟过程 64-65 5.2 结果及其分析 65-71 5.2.1 初始液态结构平衡性验证 65 5.2.2 非晶形成的冷速范围 65-68 5.2.3 晶胚与晶体团簇之间的关系 68-71 5.3 本章小结 71-72 6 Ni_(50)Cu_(50)熔体均质和异质形核的分子动力学模拟 72-84 6.1 模拟方法及过程 72-75 6.1.1 异质形核系统的构建 72-74 6.1.2 均质形核系统的构建 74 6.1.3 模拟过程 74-75 6.2 结果及其分析 75-83 6.2.1 能量及结构随时间变化 75-76 6.2.2 临界晶核的标定 76-78 6.2.3 形核过程可视化分析 78-81 6.2.4 实验结果同经典形核动力学比较 81-83 6.3 本章小结 83-84 7 结论 84-86 参考文献