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Ni 熔体凝固过程中临界晶核和亚临界晶核的分子动力学模拟 - 物理学报
物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 5 (2013) 056102
Ni 熔体凝固过程中临界晶核和亚临界晶核的
分子动力学模拟*
†
坚增运 高阿红 常芳娥 唐博博 张龙 李娜
( 西安工业大学材料与化工学院, 西安 710032 )
( 2012 年8 月2 日收到; 2012 年11 月5 日收到修改稿)
本文用分子动力学模拟研究了Ni 熔体以不同冷速凝固后微观结构的演变规律, 并通过理论计算确定出了Ni
熔体凝固后获得理想非晶的临界条件. 模拟结果发现冷速小于 1011 K/s 时, Ni 熔体凝固后形成晶态组织; 冷速在
1011 K/s 到10145 K/s 之间时, Ni 熔体凝固后形成由晶态结构与非晶态结构组成的混合组织. 冷速小于1010 K/s, Ni
熔体凝固后形成的晶态组织具有fcc 结构; 冷速在1010 K/s 到10145 K/s 之间时, Ni 熔体凝固后组织中的晶态由fcc
和hcp 结构层状镶嵌排列构成. 通过分析模拟结果和计算结果, 确定出了Ni 熔体凝固后形成理想非晶的临界冷速为
10145 K/s. 并发现Ni 熔体中临界晶核(冷速等于10145 K/s) 和亚临界晶核(冷速大于10145 K/s) 均由fcc 和hcp 组
成层状偏聚结构, 这表明Ni 熔体中生长的晶体、临界晶核和晶胚的结构是相同的.
关键词: 分子动力学模拟, 晶体团簇, 临界冷速, 结构
PACS: 61.30.Cz, 61.43.Bn, 61.43.Fs, 61.50.Ah DOI: 10.7498/aps.62.056102
速凝固条件下Ni 原子团簇种类及数量的变化, 发
1 引言 现在一定冷速范围内, 表征非晶结构的 1551, 1541
键型的数量随冷速的增大而不断增加, 并发现Ni
研究金属熔体中原子团簇与熔体结晶相在结 熔体中的原子团簇是由完整的二十面体和缺陷二
构上的相关性对认识金属凝固规律、控制金属凝 18
十面体形成的团簇网络结构. 罗成林等 采用TB
固过程有着重要意义1−3 . 但是, 由于金属熔体中 作用势模拟了Ni 原子团簇几何结构及其相对稳定
原子团簇的结构无法进行实验测定, 所以人们一直 性, 发现当团簇中原子个数分别为7 和 13 时, 与理
没有找到金属熔体中原子团簇与熔体中结晶相在 论计算结果完全一致, 其结构具有稳定性. 这些研
结构上的关系. 目前的形核理论关于金属熔体中临 究只是涉及到熔体中团簇种类和团簇多少与冷速
界晶核、亚临界晶核(晶胚) 与熔体中结晶相在结 的关系, 对亚临界晶核(晶胚)、临界晶核晶体在结
构上的关系仅建立在推测基础之上. 构上的关系没有进行过研究. 本文用分子动力学模
计算机技术和模拟方法的快速发展为解决一 拟研究Ni 熔体以不同冷速凝固后微观结构的演变
些无法通过实验解决的问题成为可能. 近年来, 大 规律, 并通过理论计算确定出Ni 熔体凝固后所得
量涌现了关于采用分子动力学模拟金属熔体凝固 晶态结构为临界晶核的临界冷速, 以确定Ni 熔体
过程微结构的演变规律的研究报道 4−15 . 张爱龙 中的晶体、临界晶核和晶胚在结构上的关系.
16
等 采用改进的EAM 势函数模拟五个冷
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