磁性材料Ni-Co快速凝固模拟及微观结构分析

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镍钴合金由于其独特的特性(例如高强度,良好的耐磨性,导热性和电催化活性等)已被作为重要的工程材料进行了数十年的研究。此外,镍钴合金的使用已经扩展到生产三维,复杂形状的成品组件的电成型技术。目前,只有很少的研究人员使用理论计算方法来模拟和计算Ni-Co合金的性能和制备过程。宏观性质由微观结构决定,所以对Ni-Co合金微观结构的研究尤为重要。本文采用分子动力学模拟方法,模拟了在不同组分和压强下快速凝固过程中Ni-Co合金的微观结构形成与演化。使用微观结构表征方法,例如平均原子能,双体分布函数,共有近邻团簇,最大标准团簇分析方法,构型熵和微观可视化等,对模拟得到的数据进行了详细分析。在以组分为Ni(100-x)Cox(x=10,20,30,40,50,60,70,80,90)九种不同的组分快速凝固Ni-Co纳米晶体材料时,通过平均原子能量、双体分布函数和最大标准团簇分析法等微观分析方法,发现当组分为Ni(100-x)Cox(x=40,50,60,70,80,90)时,Ni-Co合金体系形成了主要由团簇fcc、hcp和bcc组成的晶体结构,而在Ni(100-x)Cox(x=10,20)时,在Ni-Co合金体系中形成非晶结构。在Ni-Co合金快速凝固过程中,形成晶体和非晶体的临界组分为Ni75Co25。较低的Co含量更利于形成晶体结构,且组分为Ni50Co50时的结晶最明显。组分为Ni48Co52时在凝固过程中经历了二次相变,凝固末态时形成的fcc团簇较多。fcc团簇在数量上的突变会引起体系中结构分布情况的变化,这也是液态Ni-Co合金以Ni48Co52组分凝固时发生二次相变的体现。液态Ni-Co合金在两种不同组分下,一开始都是以fcc、hcp及bcc这三种晶体团簇共存的状态,但是Ni48Co52体系凝固过程中在二次相变点时,亚稳hcp和bcc结构大多数都转变为了更加稳定的fcc结构,这也导致了凝固末态的局部成键更一致且紧密。对液态Ni-Co合金在不同压强(P0=0 GPa,P5=5 GPa,P10=10 GPa,P20=20 GPa,P30=30 GPa,P40=40 GPa)下快速凝固过程中组织演变特征的研究和分析表明:在Ni-Co合金以1012K/s冷速凝固的过程中,在低于10 GPa时,压强的增加对体系晶体结构的形成有一定的促进作用,在高于10 GPa时,压强的增加对体系晶体结构的形成有一定的抑制作用。在Ni-Co合金以1012K/s冷速凝固的过程中,随着压强的增大,总数量百分比排前九的共有近邻子团簇种类一致。在P0、P5和P10较小压强体系中,是以S421的变化为主,而在P20、P30和P40体系中,主要以S421的变化为主,但S422、S444和S666的数量开始上升。Ni-Co合金在P0、P5、P10、P20和P30体系中,fcc团簇随着温度的降低而增加,且凝固末态的fcc团簇数目随着压强的增加先增加后减少。在压强为P20、P30和P40时,体系中的hcp,bcc团簇数目开始明显增加并随着压强的增加而增加。
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