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本学位论文的工作围绕镀锌板镀镁合金化过程中Mg/Zn界面原子扩散的分子动力学(MD)模拟而进行。具体工作包括三个部分。
1).加速分子动力学——加速因子法及相应的两步法的提出和验证传统:MD模拟的纳秒级时间尺度限制了对固体界面原子的深层扩散、渗透以及相形成等长时动力学性质的模拟研究。为此,本文在HyperDynamics框架内,针对Mg/Zn界面的原子扩散,提出了一种加速MD方法,即AF加速MD(Accelerating Factor MD,AFMD)法。利用创建的AFMD法结合Lennard-Jones双体势对Mg(0001)/Zn(0001)界面进行加速MD模拟,重点考察了界面的微观结构及原子扩散,结果表明AFMD法非常容易实现界面原子的深层扩散。在此基础上,还证明了两步法思想(AFMD模拟+传统MD模拟)能得到不同动力学阶段的体系平衡结构及平衡能量,是分析体系微观结构及相分布必须的加速MD模拟技术。由此,我们构建了AFMD模拟Mg/Zn界面时原子沿界面法线(z轴)方向上的一维扩散系数Dz的Arrhenius关系,即Dz=D0exp[-Q/(ART)]。
2).Mg/Zn界面的长程F-S势函数的构建这部分工作拟合了Mg-Zn合金的长程F-S势函数参数,采用的方法是ForceMatching法。纯Mg的拟合结果显示目标能量、拟合后MD能量两者曲线变化趋势基本相符,两者平均相对误差仅为0.98%,且打乱初始构型及目标能量的顺序,拟合结果也是完全一样;Mg-Zn二元合金的拟合结果显示目标能量与拟合后MD能量平均相对误差为4.65%,两者大部分的能量点比较接近,但是有一些点偏差还是比较大,并且拟合后MD能量曲线波动比较大,说明本方法在算法上,尤其是收敛的处理方面还存在问题,这将是这部分工作的后续主要内容。
3).Mg/Zn界面原子分布的实验初探最后,本文尝试采用实验的手段分析Mg/Zn界面原子分布。发现:普通的镀膜手段很难获得附着力强且致密的Mg层;三维原子探针可以获得其它的实验分析手段无法得到的信息,如原子级的成分分布,但制样困难。