搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

熔体初始温度对液态金属Ni凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

邓阳 刘让苏 周群益 刘海蓉 梁永超 莫云飞 张海涛 田泽安 彭平

引用本文:
Citation:

熔体初始温度对液态金属Ni凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

邓阳, 刘让苏, 周群益, 刘海蓉, 梁永超, 莫云飞, 张海涛, 田泽安, 彭平

Simulation study of effect of initial melt temperature on microstructure evolution of liquid metal Ni during solidfication process

Deng Yang, Liu Rang-Su, Zhou Qun-Yi, Liu Hai-Rong, Liang Yong-Chao, Mo Yun-Fei, Zhang Hai-Tao, Tian Ze-An, Peng Ping
PDF
导出引用
  • 采用量子 Sutton-Chen多体势, 对熔体初始温度热历史条件对液态金属Ni快速凝固过程中微观结构演变的影响进行了分子动力学模拟研究. 采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法、原子团类型指数法和三维可视化等分析方法对凝固过程中微观结构的演变进行了分析. 结果表明: 熔体初始温度对凝固微结构有显著影响, 但在液态和过冷态时的影响并不明显, 只有在结晶转变温度Tc附近才开始充分显现出来. 体系在11012 K/s的冷速下, 最终均形成以1421和1422键型或面心立方(12 0 0 0 12 0)与六角密集(12 0 0 0 6 6) 基本原子团为主的晶态结构. 末态时, 不同初始温度体系中的主要键型和团簇的数目有很大的变化范围, 且与熔体初始温度的高低呈非线性变化关系. 然而, 体系能量随初始温度呈线性变化关系, 初始温度越高, 末态能量越低, 其晶化程度越高. 通过三维可视化分析进一步发现, 在初始温度较高的体系中, 同类团簇结构的原子出现明显的分层聚集现象, 随着初始温度的下降, 这种分层现象将被弥散开去. 可视化分析将更有助于对凝固过程中微观结构演变进行更为深入的研究.
    A molecular dynamics simulation study is performed on the effect of the thermal history of initial melt temperature on the microstructure evolution in solidification process of liquid metal Ni by means of quantum Sutton-Chen n-body potential. The pair distribution function g(r) curves, the bond-type index method, the cluster-type index method and the three-dimensional (3D) visualization method are used to analyze the microstructure evolution in the solidification process. It is found that the initial melt temperature plays a critical role in the evolution of microstructures, but it is not obvious in liquid and supercooled states and the effects can be fully displayed only near the crystallization transition temperature Tc. The 1421 and 1422 bond-types or the FCC (12 0 0 0 12 0) and HCP (12 0 0 0 6 6) cluster in the system play the critical role in the microstructure evolution. The results show that at a cooling rate of 11012 K/s with different initial melt temperatures, the solidification structures of liquid metal Ni are always crystallized, but the numbers of the main bond-types and clusters have a vast varying range, and it does not vary linearly with the decrease of initial melt temperature. However, the system energy changes linearly with the decrease of initial melt temperature. Through the 3D visualization method, it is also found that atoms of the same cluster are gathered in the same layer when the system has a higher initial temperature, and these layers would be scattered when the initial melt temperature decreases. The 3D visualization method would help to deeply investigate the evolution mechanisms of microstructures in liquid metals during solidification.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 50831003, 51071065, 51102090)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Foundation of China (Grant Nos. 50831003, 51071065, 51102090).
    [1]

    Bokeloh J, Rozas R E, Horbach J, Wilde G 2011 Phys. Rev. Lett. 107 145701

    [2]

    Urrutia-Bañuelos E, Posada-Amarillas A, Garzón I L 2002 Phys. Rev. B 66 144205

    [3]

    Zhou G R, Gao Q M 2007 Acta Phys. Sin. 56 1499 (in Chinese) [周国荣, 高秋明 2007 56 1499]

    [4]

    Posada-Amarillas A, Garzón I L 1996 Phys. Rev. B 53 13

    [5]

    Li J Y, Liu R S, Zhou Z, Xie Q, Peng P 1998 Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics 15 193 (in Chinese) [李基永, 刘让苏, 周征, 谢泉, 彭平 1998 原子与分子 15 193]

    [6]

    Luo C L, Zhou Y H, Zhang Y 2000 Acta Phys. Sin. 49 54 (in Chinese) [罗成林, 周延怀, 张益 2000 49 54]

    [7]

    Xu Y W, Wang L, Bian X F 2002 Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics 19 65 (in Chinese) [徐延炜, 王丽, 边秀房 2002 原子与分子 19 65]

    [8]

    Liu R S, Liu F X, Li J Y, Dong K J, Zheng C X 2003 Acta Phys. Chim. Sin. 19 791 (in Chinese) [刘让苏, 刘凤翔, 李基永, 董科军, 郑采星 2003 物理化学学报 19 791]

    [9]

    Zhou G R, Wu Y S, Zhang C J, Zhao F 2003 Acta Phys. Chim. Sin. 19 13 (in Chinese) [周国荣, 吴佑实, 张川江, 赵芳 2003 物理化学学报 19 13]

    [10]

    Zhang A L, Liu R S, Liang J, Zheng C X 2005 Acta Phys. Chim. Sin. 21 347 (in Chinese) [张爱龙, 刘让苏, 梁佳, 郑采星 2005 物理化学学报 21 347]

    [11]

    Yi X H, Liu R S, Tian Z A, Hou Z Y, Wang X, Zhou Q Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5386 (in Chinese) [易学华, 刘让苏, 田泽安, 侯兆阳, 王鑫, 周群益 2006 55 5386]

    [12]

    Hou H Y, Chen G L, Chen G 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 771 (in Chinese) [侯怀宇, 陈国良, 陈光 2006 物理化学学报 22 771]

    [13]

    Liu H R, Liu R S, Zhang A L, Hou Z Y, Wang X, Tian Z A 2007 Chin. Phys. 16 1009

    [14]

    Hou Z Y, Liu R S, Wang X, Tian Z A, Zhou Q Y, Chen Z H 2007 Acta Phys. Sin. 56 376 (in Chinese) [侯兆阳, 刘让苏, 王鑫, 田泽安, 周群益, 陈振华2007 56 376]

    [15]

    Uddin J, Baskes M I, Srinivasan S G, Cundari T R, Wilson A K 2010 Phys. Rev. B 81 104103

    [16]

    Li G J, Wang Q, Cao Y Z, L X, Li D G, He J C 2011 Acta Phys. Sin. 60 093610 (in Chinese) [李国建, 王强, 曹永泽, 吕逍, 李东刚, 赫冀成 2011 60 093610]

    [17]

    Baras F, Politano O 2011 Phys. Rev. B 84 024113

    [18]

    Honeycutt J D, Andersen H C 1987 J. Phys. Chem. 91 4850

    [19]

    Tian Z A, Liu R S, Liu H R, Zheng C X, Hou Z Y, Peng P 2008 J. Non-Cryst. Solids 354 3705

    [20]

    Dong K J, Liu R S, Yu A B, Zou R P, Li J Y 2003 J. Phys.: Condens. Matter 15 743

    [21]

    Liu R S, Dong K J, Liu F X, Zheng C X, Liu H R, Li J Y 2005 Science in China G 48 101

    [22]

    Liu R S, Dong K J, Tian Z A, Liu H R, Peng P, Yu A B 2007 J. Phys.: Condens. Matter 19 196103

    [23]

    Doye J P K, Wales D J 1998 New J. Chem. 22 733

    [24]

    Sutton A P, Chen J 1990 Philos. Mag. Lett. 61 139

    [25]

    Qi Y, Çağin T, Kimura Y, Goddard W A 1999 Phys. Rev. B 59 3527

    [26]

    Waseda Y 1980 The Structure of Non-Crystalline Materials (New York: McGraw-Hill) p268

    [27]

    Liu R S, Qi D W, Wang S 1992 Phys. Rev. B 45 451

    [28]

    Sachdev S, Nelson D R 1984 Phys. Rev. Lett. 53 1947

    [29]

    Lochmann K, Anikeenko A, Elsner A, Medvedve N, Stoyan D 2006 Eur. Phys. J. B 53 67

    [30]

    Truskett T M, Torquato S, Sastry S, Debenedetti P G, Stillinger F H 1998 Phys. Rev. E 58 3083

    [31]

    Qi D W, Wang S 1991 Phys. Rev. B 44 884

    [32]

    Zhang J X, Li H, Zhang J, Song X G, Bian X F 2009 Chin. Phys. B 18 4949

    [33]

    Zhao S, Li J F, Liu L, Zhou Y H 2009 Chin. Phys. B 18 1917

    [34]

    Geng H R, Sun C J, Yang Z X, Wang R, Ji L L 2006 Acta Phys. Sin. 55 1320 (in Chinese) [耿浩然, 孙春静, 杨中喜, 王瑞, 吉蕾蕾 2006 55 1320]

    [35]

    Li H, Bian X F, Wang G H 2003 Phys. Rev. B 67 094202

    [36]

    Liu R S, Li J Y, Zhou Q Y 1995 Chin. Sci. Bull. 40 979 (in Chinese) [刘让苏, 李基永, 周群益 1995 科学通报 40 979]

  • [1]

    Bokeloh J, Rozas R E, Horbach J, Wilde G 2011 Phys. Rev. Lett. 107 145701

    [2]

    Urrutia-Bañuelos E, Posada-Amarillas A, Garzón I L 2002 Phys. Rev. B 66 144205

    [3]

    Zhou G R, Gao Q M 2007 Acta Phys. Sin. 56 1499 (in Chinese) [周国荣, 高秋明 2007 56 1499]

    [4]

    Posada-Amarillas A, Garzón I L 1996 Phys. Rev. B 53 13

    [5]

    Li J Y, Liu R S, Zhou Z, Xie Q, Peng P 1998 Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics 15 193 (in Chinese) [李基永, 刘让苏, 周征, 谢泉, 彭平 1998 原子与分子 15 193]

    [6]

    Luo C L, Zhou Y H, Zhang Y 2000 Acta Phys. Sin. 49 54 (in Chinese) [罗成林, 周延怀, 张益 2000 49 54]

    [7]

    Xu Y W, Wang L, Bian X F 2002 Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics 19 65 (in Chinese) [徐延炜, 王丽, 边秀房 2002 原子与分子 19 65]

    [8]

    Liu R S, Liu F X, Li J Y, Dong K J, Zheng C X 2003 Acta Phys. Chim. Sin. 19 791 (in Chinese) [刘让苏, 刘凤翔, 李基永, 董科军, 郑采星 2003 物理化学学报 19 791]

    [9]

    Zhou G R, Wu Y S, Zhang C J, Zhao F 2003 Acta Phys. Chim. Sin. 19 13 (in Chinese) [周国荣, 吴佑实, 张川江, 赵芳 2003 物理化学学报 19 13]

    [10]

    Zhang A L, Liu R S, Liang J, Zheng C X 2005 Acta Phys. Chim. Sin. 21 347 (in Chinese) [张爱龙, 刘让苏, 梁佳, 郑采星 2005 物理化学学报 21 347]

    [11]

    Yi X H, Liu R S, Tian Z A, Hou Z Y, Wang X, Zhou Q Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5386 (in Chinese) [易学华, 刘让苏, 田泽安, 侯兆阳, 王鑫, 周群益 2006 55 5386]

    [12]

    Hou H Y, Chen G L, Chen G 2006 Acta Phys. Chim. Sin. 22 771 (in Chinese) [侯怀宇, 陈国良, 陈光 2006 物理化学学报 22 771]

    [13]

    Liu H R, Liu R S, Zhang A L, Hou Z Y, Wang X, Tian Z A 2007 Chin. Phys. 16 1009

    [14]

    Hou Z Y, Liu R S, Wang X, Tian Z A, Zhou Q Y, Chen Z H 2007 Acta Phys. Sin. 56 376 (in Chinese) [侯兆阳, 刘让苏, 王鑫, 田泽安, 周群益, 陈振华2007 56 376]

    [15]

    Uddin J, Baskes M I, Srinivasan S G, Cundari T R, Wilson A K 2010 Phys. Rev. B 81 104103

    [16]

    Li G J, Wang Q, Cao Y Z, L X, Li D G, He J C 2011 Acta Phys. Sin. 60 093610 (in Chinese) [李国建, 王强, 曹永泽, 吕逍, 李东刚, 赫冀成 2011 60 093610]

    [17]

    Baras F, Politano O 2011 Phys. Rev. B 84 024113

    [18]

    Honeycutt J D, Andersen H C 1987 J. Phys. Chem. 91 4850

    [19]

    Tian Z A, Liu R S, Liu H R, Zheng C X, Hou Z Y, Peng P 2008 J. Non-Cryst. Solids 354 3705

    [20]

    Dong K J, Liu R S, Yu A B, Zou R P, Li J Y 2003 J. Phys.: Condens. Matter 15 743

    [21]

    Liu R S, Dong K J, Liu F X, Zheng C X, Liu H R, Li J Y 2005 Science in China G 48 101

    [22]

    Liu R S, Dong K J, Tian Z A, Liu H R, Peng P, Yu A B 2007 J. Phys.: Condens. Matter 19 196103

    [23]

    Doye J P K, Wales D J 1998 New J. Chem. 22 733

    [24]

    Sutton A P, Chen J 1990 Philos. Mag. Lett. 61 139

    [25]

    Qi Y, Çağin T, Kimura Y, Goddard W A 1999 Phys. Rev. B 59 3527

    [26]

    Waseda Y 1980 The Structure of Non-Crystalline Materials (New York: McGraw-Hill) p268

    [27]

    Liu R S, Qi D W, Wang S 1992 Phys. Rev. B 45 451

    [28]

    Sachdev S, Nelson D R 1984 Phys. Rev. Lett. 53 1947

    [29]

    Lochmann K, Anikeenko A, Elsner A, Medvedve N, Stoyan D 2006 Eur. Phys. J. B 53 67

    [30]

    Truskett T M, Torquato S, Sastry S, Debenedetti P G, Stillinger F H 1998 Phys. Rev. E 58 3083

    [31]

    Qi D W, Wang S 1991 Phys. Rev. B 44 884

    [32]

    Zhang J X, Li H, Zhang J, Song X G, Bian X F 2009 Chin. Phys. B 18 4949

    [33]

    Zhao S, Li J F, Liu L, Zhou Y H 2009 Chin. Phys. B 18 1917

    [34]

    Geng H R, Sun C J, Yang Z X, Wang R, Ji L L 2006 Acta Phys. Sin. 55 1320 (in Chinese) [耿浩然, 孙春静, 杨中喜, 王瑞, 吉蕾蕾 2006 55 1320]

    [35]

    Li H, Bian X F, Wang G H 2003 Phys. Rev. B 67 094202

    [36]

    Liu R S, Li J Y, Zhou Q Y 1995 Chin. Sci. Bull. 40 979 (in Chinese) [刘让苏, 李基永, 周群益 1995 科学通报 40 979]

  • [1] 李兴欣, 李四平. 退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟.  , 2020, 69(19): 196102. doi: 10.7498/aps.69.20200836
    [2] 段芳莉, 王明, 刘静. 摩擦导致的聚合物表层微观结构改变.  , 2015, 64(6): 066801. doi: 10.7498/aps.64.066801
    [3] 齐玉, 曲昌荣, 王丽, 方腾. Fe50Cu50合金熔体相分离过程的分子动力学模拟.  , 2014, 63(4): 046401. doi: 10.7498/aps.63.46401
    [4] 徐志欣, 李家云, 孙民华, 姚秀伟. 非晶纳米Ni500团簇等温晶化过程中的结构与动力学研究.  , 2013, 62(18): 186101. doi: 10.7498/aps.62.186101
    [5] 曹永泽, 李国建, 王强, 马永会, 王慧敏, 赫冀成. 强磁场对不同厚度Fe80Ni20薄膜的微观结构及磁性能的影响.  , 2013, 62(22): 227501. doi: 10.7498/aps.62.227501
    [6] 蔡杰, 季乐, 杨盛志, 张在强, 刘世超, 李艳, 王晓彤, 关庆丰. 强流脉冲电子束作用下金属锆的微观结构与应力状态.  , 2013, 62(15): 156106. doi: 10.7498/aps.62.156106
    [7] 坚增运, 高阿红, 常芳娥, 唐博博, 张龙, 李娜. 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.  , 2013, 62(5): 056102. doi: 10.7498/aps.62.056102
    [8] 徐春龙, 侯兆阳, 刘让苏. Ca70Mg30金属玻璃形成过程热力学、 动力学和结构特性转变机理的模拟研究.  , 2012, 61(13): 136401. doi: 10.7498/aps.61.136401
    [9] 田雪雁, 赵谡玲, 徐征, 姚江峰, 张福俊, 贾全杰, 陈雨, 樊星, 龚伟. 高分子有机场效应晶体管中半导体薄膜结晶行为及微观结构变化的研究.  , 2011, 60(2): 027201. doi: 10.7498/aps.60.027201
    [10] 汪俊, 张宝玲, 周宇璐, 侯氢. 金属钨中氦行为的分子动力学模拟.  , 2011, 60(10): 106601. doi: 10.7498/aps.60.106601
    [11] 梁永超, 刘让苏, 朱轩民, 周丽丽, 田泽安, 刘全慧. 液态Mg7Zn3合金快速凝固过程中微观结构演变机理的模拟研究.  , 2010, 59(11): 7930-7940. doi: 10.7498/aps.59.7930
    [12] 王晓东, 欧阳洁, 苏进. 非均匀剪切流场中液晶聚合物微观结构的无网格模拟.  , 2010, 59(9): 6369-6376. doi: 10.7498/aps.59.6369
    [13] 侯兆阳, 刘丽霞, 刘让苏, 田泽安. Al-Mg合金熔体快速凝固过程中微观结构演化机理的模拟研究.  , 2009, 58(7): 4817-4825. doi: 10.7498/aps.58.4817
    [14] 周丽丽, 刘让苏, 侯兆阳, 田泽安, 林 艳, 刘全慧. 冷速对液态金属Pb凝固过程中微观团簇结构演变影响的模拟研究.  , 2008, 57(6): 3653-3660. doi: 10.7498/aps.57.3653
    [15] 侯兆阳, 刘让苏, 王 鑫, 田泽安, 周群益, 陈振华. 熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究.  , 2007, 56(1): 376-383. doi: 10.7498/aps.56.376
    [16] 易学华, 刘让苏, 田泽安, 侯兆阳, 王 鑫, 周群益. 冷却速率对液态金属Cu凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究.  , 2006, 55(10): 5386-5393. doi: 10.7498/aps.55.5386
    [17] 朱才镇, 张培新, 许启明, 刘剑洪, 任祥忠, 张黔玲, 洪伟良, 李琳琳. 分子动力学模拟不同组分下CaO-Al2O3-SiO2系玻璃微观结构的转变.  , 2006, 55(9): 4795-4802. doi: 10.7498/aps.55.4795
    [18] 侯兆阳, 刘让苏, 李琛珊, 周群益, 郑采星. 冷速对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究.  , 2005, 54(12): 5723-5729. doi: 10.7498/aps.54.5723
    [19] 王昶清, 贾 瑜, 马丙现, 王松有, 秦 臻, 王 飞, 武乐可, 李新建. 不同温度下Si(001)表面各种亚稳态结构的分子动力学模拟.  , 2005, 54(9): 4313-4318. doi: 10.7498/aps.54.4313
    [20] 梁海弋, 王秀喜, 吴恒安, 王宇. 纳米多晶铜微观结构的分子动力学模拟.  , 2002, 51(10): 2308-2314. doi: 10.7498/aps.51.2308
计量
  • 文章访问数:  6026
  • PDF下载量:  528
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-18
  • 修回日期:  2013-04-28
  • 刊出日期:  2013-08-05

/

返回文章
返回
Baidu
map