金属熔体与金属玻璃热力学行为的分子动力学模拟

论文摘要

本文综述了纳米尺度下材料的热力学行为，以及金属熔体与金属玻璃领域已取得的研究成果，对如何采用分子动力学这一原子模拟技术分析材料热力学性能的数值方法进行了深入系统的阐述，并采用分子动力学方法模拟了单晶铜的体熔化、表面熔化与表面预熔化过程，金属玻璃铜和非晶钛铝合金的形成过程与微观结构，以及金属玻璃铜和非晶钛铝合金的应力晶化行为。研究了纳米尺度下金属熔体与金属玻璃独特的热力学行为，并分析了其内在的原子机制。 从固体材料热力学行为原子尺度模拟这一角度系统阐述了分子动力学数值模拟技术，讨论了分子动力学模拟中一些关键问题，如温度控制、压力控制、原子势函数等。 采用分子动力学方法模拟了单晶铜的体熔化与表面熔化行为。体熔化与表面熔化的不同发生机制导致体熔点高于热力学熔点。在实际熔化中表面熔化处于支配地位，实验测量的是热力学熔点。动力学系数定义为界面移动速度与过热程度的比值，表现为明显的各向异性。 原子尺度数值模拟了应变效应对单晶铜的表面预熔化行为的影响。热稳定性与表面的密排顺序一致：[100]和[110]表面在略低于熔点时发生预熔化，准液体层的厚度随着温度升高而增大，[111]表面存在明显的过热现象。应变效应导致固相自由能增加，进而造成表面热稳定性下降，且应变与表面应力方向的异同也会影响表面预熔化进程。 采用分子动力学方法模拟铜与钛铝合金的快速凝固过程，研究了其晶化与玻璃转化过程。在较慢的冷却条件下，形成面心立方晶体；在较快的冷却条件下，形成金属玻璃。与晶体铜比较，金属玻璃铜有较高的能量和较大的体积，其内部晶格畸变导致了本征应力的存在。非晶合金在常温下具有良好的热稳定性，在较高温度则发生晶化现象。 本文研究了金属玻璃铜的应力晶化行为。在拉伸变形中，初始流动应力高于稳态流动应力，且随应变率增加而增大。在低应变率下，金属玻璃发生晶化现象；在高应变率下，金属玻璃保持非晶态。随着应变率的下降，形成了更多的晶粒。在压痕过程中，观察到局部剪应变导致临近的非晶原子形成晶核、晶粒长大与合并过程。形成的晶粒具有FCC结构，其[111]面方向与剪切方向平行。嵌入非晶环境的纳米晶粒能有效提高系统的刚度。 本文研究了Ti-Al非晶合金纳米丝的拉伸力学行为。非晶合金比纯金属玻璃具有更高的稳定性，在绝对零度下的拉伸过程中保持非晶态。在较高温度下，拉伸应力导致的晶化现象出现在局部塑性流动的颈缩区。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米科学技术
• 1.2 金属熔化的研究现状
• 1.3 金属玻璃的研究现状
• 1.4 本文研究的意义、内容和目的
• 第二章 分子动力学模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学基本思想
• 2.3 温度和压力控制方法
• 2.4 原子势能函数
• 2.5 分子动力学应用中的相关问题
• 2.6 本章小节
• 第三章 金属铜熔化行为的分子动力学模拟
• 3.1 引言
• 3.2 熔化原理与分析技术
• 3.3 金属铜的体熔化行为
• 3.4 金属铜的表面熔化行为
• 3.5 金属铜的表面预熔化行为
• 3.6 本章小结
• 第四章 金属玻璃铜结构性能的分子动力学模拟
• 4.1 引言
• 4.2 金属玻璃铜的形成过程
• 4.3 金属玻璃铜的微观结构
• 4.4 非晶钛铝合金的形成过程
• 4.5 本章小结
• 第五章 金属玻璃应力晶化行为的分子动力学模拟
• 5.1 引言
• 5.2 金属玻璃铜的拉伸晶化行为
• 5.3 金属玻璃铜的压痕晶化行为
• 5.4 非晶钛铝合金的拉伸力学行为
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 博士期间的科研工作
• 致谢