液态金属镍的热历史对凝固微结构演变影响的模拟研究

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本文采用分子动力学方法,模拟研究了液态金属Ni在快速凝固过程中熔体初始温度和初始等温步数热历史条件对微观结构演变的影响。并结合双体分布函数g(r)曲线、体系原子平均能量、键型指数法、原子团类型指数法(CTIM)和微观结构可视化分析方法,对快速凝固过程中微观结构的演变进行了更为详细和深入的研究。   通过熔体初始温度对液态金属Ni凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究,发现初始温度对体系的凝固微结构演变有重要影响。结果表明,对由10000个Ni原子组成的体系,分别从六个不同的初始温度(2073K,2023K,1973K,1923K,1873K和1823K)以1×1012K/s的冷速快速冷却到273K时,体系均形成以FCC为主、HCP共存的晶态结构,但各体系中FCC与HCP原子团的数目随初始温度的变化呈现显著差异;末态时体系平均原子能量随初始温度的降低而升高,1421键型相对数和FCC原子团数目随初始温度的降低而逐渐减小,1422键型相对数和HCP原子团数目随初始温度的降低逐渐增大。即初始温度越高,体系末态能量越低,越趋向于形成完美的FCC晶体结构;通过可视化分析发现在初始温度较高的体系中,同种团簇结构的原子出现明显的分层聚集现象,随着初始温度的下降,这种分层现象将被逐渐弥散开去。对由10000个Ni原子组成的体系,在相同的初始温度1973K时,分别运行不同的时间步数(50000步,100000步,150000步,200000步,500000步和1000000步)来表达不同的初始热历史条件,再以1×1012K/s的冷速快速冷却到273K,可得到六组不同初始等温步数下体系凝固过程的结构演变数据。对结构数据的分析发现:随着等温步数的增大,末态时晶体结构的主体出现了由FCC→HCP→ FCC的转变,即等温步数为50000步,100000步,150000步和200000步体系的结构均为FCC为主,HCP共存的晶态结构;等温步数为500000步体系的末态结构则变为HCP为主,FCC共存的晶态结构;当初始等温步数继续增加到1000000步时,体系末态结构又重新变为FCC为主,HCP共存的晶态结构;末态时,不同初始等温步数体系中FCC与HCP原子团数目也呈现显著差异,表明初始等温步数对体系的凝固微结构演变有重要影响。
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