液态Ag-Ni合金凝固过程中微观结构演变的模拟研究

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本文简述了快速凝固理论、相变理论、金属玻璃的结构特征以及分子动力学基本原理。采用分子动力学和EAM作用势模拟了AgNi液态合金的快速凝固,通过平均原子能量、双体分布函数(PDF)、最大标准团簇分析(La SCA)和配位数等方法详细地分析凝固过程的能量、体积及结构变化。本文的理论研究为改善AgNi合金的加工技术和性能改善具有一定的指导意义。研究表明:在1011 K/s冷速下,Ag50Ni50合金的凝固过程是一个看似结晶的非晶化过程,包含液液相变(LLT)和液固(LST)相变;在LLT相变过程中,9种短程有序(SRO)结构,只有S444、S666和S555增加,其余均减小,表明熔体可能是BCC结晶或玻璃化;但是只有代表非晶化的中程有序(MRO)结构生成,表明LLT有利于非晶化。拓扑长程序(TLRO)结构直到LST开始才明显增加,LST阶段是非晶相快速增长的过程。在LLT和LST阶段,TCP原子数量的快速增加和原子势能的快速下降导致了类似于结晶过程的特殊的E-T曲线的产生。在T<Tg时,二十面体构成的团簇最大尺寸(Smax)波动剧烈,而拓扑密堆(TCP)团簇的Smax相当稳定,因此TCP团簇体现了非晶固体的亚稳态特性。将Ag50Ni50合金体系内原子按元素、配位数、原子势能和二十面体等属性分成两类,得到的偏双体分布函数(p PDF)曲线的分峰位置与总PDF曲线偏差较大,而基于TCP原子分类的p PDF曲线的分峰位置吻合极好,说明TCP结构与PDF曲线主峰分裂有很强的相关性。200 K时,以Ni为中心的TCP La SC约为以Ag为中心的两倍。TCP团簇主要以共体、共面和共点三种方式连接形成中长程序结构。计算体系中共体连接的两个TCP La SCs各部分原子到中心原子的平均距离和PDF各峰出现的位置相吻合,表明TCP La SC是PDF主峰分裂的结构起源。对9种组分下Ag100-xNix(x=10,20,30,40,50,60,70,80,90)合金在1011 K/s下快速凝固过程中微观结构演化研究表明,当x<70时,Ag100-xNix合金的凝固是一个看似结晶的非晶化过程,都包含LLT和LST,随着x的增加,液固相变起始点(Tls)和玻璃转化温度(Tg)随之升高,合金中TCP原子含量增加、遗传率提高,TCP La SC的关联性增加,使得体系的结构更加稳定,合金GFA更好。当x≥70,体系出现富Ni原子局部FCC结晶,且随x的增加,晶体原子增多;其余结构以Ag、Ni原子混合TCP结构为主。Ag20Ni80和Ag10Ni90合金中FCC原子成规则的块状,HCP原子成片状形成晶界,BCC原子零星分布在合金中。
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