非晶态合金Cu_xPd_(1-x)形成过程合金效应及微观结构转变特性的模拟研究(英文)

本文根据量子Sutton-Chen多体势,采用分子动力学方法对含有50000个原子大系统液态二元合金Cu_xPd_(1-x)(CuPd的原子半径比为1.14)在快速凝固过程中的微观结构转变特性进行模拟研究.运用Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了液态和固态的微观结构特性.研究结果发现:在7.73×10~(13)K/S冷却速率下,Cu_xPd_(1-x)合金形成以1551、1541和1431三种键型为主的非晶态结构;系统以1551键型和由1551键型构成的(12 0 12 0)二十面体团族在所有的键型和团簇中占主导地位,并且在液态合金Cu_xPd_(1-x)微观结构转变中起着关键性作用.通过分析键型、团簇和平均原子体积,我们发现液态合金Cu_xPd_(1-x)的玻璃转变温度是573K.同时还发现,原子的平均配位数的变化与1551,1441,1661键型的变化趋势相当接近,这反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关.     

液态金属Al快速凝固过程中团簇结构的形成特性

采用分子动力学方法 ,对含有 10 5个Al原子的液态金属大系统在快凝过程中团簇结构的形成特性进行了模拟研究 ,并采用原子团类型指数法 (CTIM )来描述各种类型的团簇结构组态 .研究结果显示 ,二十面体原子团 (12 0 12 0 )及其组合在微观结构转变中起着最重要的作用 .发现纳米级大团簇 (含有 10 4个原子 )是由一些中等原子团相互结合而成 ,而中等原子团又是由基本原子团结合组成 .这种结构与由热蒸发、离子溅射等方法所获得的以某一个原子为中心、按八面体结构堆积起来的多壳层晶体结构的纳米级大团簇完全不同 .组成这种大团簇结构的基本原子团的中心原子是彼此以单线或扭结的形式相互成键连接的 .这种结构的角隅正好可以成为液态金属凝固过程中形成支晶的起点 .     

非晶态金属Al中微团簇多面体结构及其演变规律的模拟研究

对50 000个金属Al原子从液态急冷形成非晶态结构的过程进行了分子动力学模拟研究.采用原子键型和原子团簇类型指数法,发现在其微观结构的转变过程中,与不断增加的1551键型密切相关的二十面体及其缺陷结构的形成起了非常突出的作用.通过各种键型原子团簇的计算,获得团簇多面体结构的分布数据.在可视化的显示下,得到一幅十分清晰的关于团簇多面体结构的特征及其演变的图景.建立了一种简单而有效的团簇多面体结构研究方法.同时也对模拟计算结果的微观机理给出了相应的讨论,这对于深入理解非晶态结构的形成机制及其微观过程,将有重     

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

采用分子动力学方法对液态Mg₇Zn₃合金的快速凝固过程进行了模拟研究,并采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团类型指数法(CTIM)以及遗传跟踪等方法对凝固过程中团簇结构的形成、演变特性进行了分析.结果表明:在以冷速为1×10¹² K ·s^-1的凝固过程中, Zn-Zn原子之间的相互成键的概率明显增加,形成以1551,1541,1431键型为主的非晶态结构.其特征键型1551随温度变化 关键词： 液态MgZn合金 快速凝固过程 微观结构演变 分子动力学模拟     

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

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T_c附近才开始充分显现出来. 体系在1×10¹² 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. 关键词： 液态金属Ni 熔体初始温度 微观结构 分子动力学模拟     

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

采用Quantum Sutton-Chen(Q-SC)多体势对液态金属Cu在四个不同冷却速率下的凝固过程进行了分子动力学模拟研究. 通过双体分布函数、键型指数、配位数、均方位移及可视化分析, 结果表明：冷却速率对液态金属Cu的微观结构演变有决定性影响. 当冷却速率为1.0×10¹⁴K/s时得到非晶态结构；当冷速分别为1.0×10¹³K/s，1.0×10¹²K/s和1.3×10¹¹K/s时，系统形成以1421键型为主体的面心立方(fcc)与六角密集(hcp)共存的混合晶体结构；且其结晶温度分别为373K，773K和873K，即冷速越慢，其结晶温度越高，结晶程度也越高；且冷速越慢，1421键型越多，混合晶体中面心立方(fcc)结构所占的比例越高. 同时发现，原子的平均配位数的变化与1551，1441，1661键型的变化密切相关, 反映出体系对称性结构的变化规律与配位数的变化有关. 在可视化分析中，进一步采用中心原子法展现出非晶态与晶体结构的2D截面，及在3D下混合晶体中两个基本原子团分别为面心立方(fcc)与六角密集(hcp)基本原子团的具体结构. 关键词： Q-SC多体势 液态金属Cu 凝固过程 分子动力学模拟     

快凝过程中液态Cu64Zr36合金二十面体团簇遗传与演化跟踪

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₆₄Zr₃₆合金在冷速50 K/ns下 的快速凝固过程, 并通过双体分布函数、Honeycutt-Andersen (H-A) 键型指数和团簇类型指数对其微结构演变特性进行了分析. 液态与快凝玻璃合金的主要原子组态都是二十面体(12 0 12 0)及其变形结构 (12 8/1551 2/1541 2/1431), 其中比例最高的是Cu芯Cu₈Zr₅基本原子团, 其次是Cu₇Zr₆和Cu₉Zr₄团簇; 并且由这些二十面体基本原子团铰链形成的中程序, 其尺寸分布在液相和固相中分别呈现出13, 19, 25,···和13, 19, 23, 25, 29, 37,···的幻数特征. 团簇的演化与跟踪分析发现: 没有任何团簇能从液态直接遗传到固态合金, 遗传的起始温度出现在T_m–T_g过冷液相区. 二十面体团簇的遗传主要以完全和直接遗传为主, 并且一个明显的增加发生在T_g附近. 在玻璃化转变温度T_g以下, (12 0 12 0) 二十面体比 (12 8/1551 2/1541 2/1431) 变形二十面体具有更高的结构遗传能力, 但仅有少部分在遗传过程中能保持化学成分的恒定. 通过部分遗传, 某些二十面体中程序甚至也能从过冷液体中被遗传到玻璃合金. 关键词： 快速凝固 分子动力学 二十面体团簇 遗传     

A simulation study of microstructure evolution during solidification process of liquid metal Ni

A molecular dynamics simulation study has been performed for the microstructure evolution in a liquid metal Ni system during crystallization process at two cooling rates by adopting the embedded atom method (EAM) model potential. The bond-type index method of Honeycutt--Andersen (HA) and a new cluster-type index method (CTIM-2) have been used to detect and analyse the microstructures in this system. It is demonstrated that the cooling rate plays a critical role in the microstructure evolution: below the crystallization temperature $T_{\rm c}$, the effects of cooling rate are very remarkable and can be fully displayed. At different cooling rates of $2.0\times10^{13}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$ and $1.0\times10^{12}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$, two different kinds of crystal structures are obtained in the system. The first one is the coexistence of the hcp (expressed by (12 0 0 0 6 6) in CTIM-2) and the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 and 1422 bond-types, and the hcp basic cluster becomes the dominant one with decreasing temperature, the second one is mainly the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 bond-type, and their crystallization temperatures $T_{\rm c}$ would be 1073 and 1173\,K, respectively.     

液态金属Ga急冷凝固中微观结构转变的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Ga的快速凝固过程进行计算机模拟跟踪研究,运用HA键型指数法和原子团类型指数法分析了金属原子Ga的成键类型和形成的基本原子团结构.发现:与通常的液态金属(如Al)相反,随着温度的降低,二十面体及与二十面体相关的1551, 1541键型数目明显下降;与立方体(fcc,bcc),六角密集结构相关的1421,1422键型数目明显增加;而与菱面体相关的1321,1311键型的数目却显著增加,逐渐占据优势.最后形成一种新型的以菱面体结构为主、夹杂着立方体(fcc,bcc)、六角密集(hcp)等团簇结构所组成的非晶态结构.这正是非晶态金属Ga的g(r)曲线分裂的第二峰的顺序为前低后高,而与非晶态金属Al的g(r)曲线(其分裂的第二峰的顺序为前高后低)明显不同的微观结构上的物理根源.     

冷速对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Na在四种不同冷速下的快速凝固过程进行了模拟跟踪研究.采用双体分布函数g(r)曲线、Honeycutt-Andersen键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中微观结构的变化进行了分析.结果表明：冷却速率对微结构的转变有决定性影响，当冷速为1.0×10¹⁴和1.0×10¹³K/s时，系统形成以1551和1541键型或以缺陷多面体基本原子团(13 1 10 2)和二十面体基本原子团(12 0 12 0)为主体的非晶态结构；当冷速为1.0×10¹²和1.0×10¹¹K/s时，系统则形成以1441和1661键型或以体心立方基本原子团(14 6 0 8)为主体的晶态结构.同时发现：不同冷速对液态金属Na在液态和过冷态时微观结构的影响甚小；但不同冷速对其固态(非晶态利晶态)时的微观结构有显著的影响，且要在液-固转变点(分别在玻璃转变温度T_g和晶化起始温度T_c)附近或以后才能充分展现出来.根据这一特点，有可能建立另一种确定液态金属T_g和T_c的新方法.原子团类型指数法比键型指数法更有利于研究液态、非晶态等无序体系和一些晶化体系的具体结构特征. 关键词： 液态金属Na 凝固过程 分子动力学模拟 原子团类型指数法     

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

采用分子动力学方法对六种不同冷却速率对液态金属Pb凝固过程中微观团簇结构演变的影响进行了模拟跟踪研究.采用双体分布函数、Honeycutt-Andersen键型指数法、原子团类型指数法(CTIM-2)、平均配位数等方法对凝固过程中微观团簇结构的演变进行了分析.结果表明：系统存在一个形成非晶态或晶态结构的临界冷速(介于5×10¹²与1×10¹²之间),大于这个临界冷速时,系统将形成以1551,1541和1431键型为主的非晶态结构;当小于这个临界冷速时,系统将先形成以1441和1661键型或以bcc基本原子团(14 6 0 8 0 0)为主的晶态结构,并稳定存在一段时间,然后又迅速转变为以1421和1422键型为主或以fcc基本原子团(12 0 0 0 12 0)和hcp基本原子团(12 0 0 0 6 6)以一定比例并存的部分晶态结构;同时发现,冷速对系统中fcc结构和hcp结构的相对比例有明显的影响,冷速越低,fcc结构所占的比例越多,越倾向于形成完美的fcc晶态结构. 关键词： 液态金属铅 凝固过程 团簇结构演变 分子动力学模拟     

纳米硅集团表面电子态的理论研究

研究—Ｈ，—Ｏ或—ＯＨ基吸附于表面的纳米硅集团电子结构的变化情况．选取了几种可能的吸附构型，用定域密度泛函（ＬＤＦ）-集团模型数值自洽求解方法的第一性原理计算，求得优化的吸附位置、相应的电子结构，并分析了有关的光学性质．在全氢饱和的情况下，能隙比硅体的宽，呈明显的量子尺寸效应；部分—Ｈ被—Ｏ原子取代后，在禁带中出现一些“尾态”，这些态部分被占有；若以—ＯＨ基取代—Ｏ，则相应的空尾态被占有，但带隙变化不大．—Ｏ和—ＯＨ吸附时均不呈现明显的量子尺寸效应 关键词：     

冷速对液态金属Ga凝固过程中微观结构演变影响的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属Ga凝固过程中不同冷却速率对微观结构演变的影响进行了模拟跟踪研究. 运用HA键型指数法和原子成团类型指数法(CTIM)分析了金属原子Ga的成键类型和形成的基本原子团结构. 结果发现，冷却速率对凝固过程中的微观结构起着非常重要的作用. 在以1.0×10¹⁴，1.0×10¹³，1.0×10¹²K/s的速率冷却时，系统形成以与1311，1301键型相关的菱面体结构为主，夹杂着立方体、六角密集等其他团簇结构所构成的非晶态结构；在以1.0×10¹¹K/s的速率冷却时，系统明显发生结晶，其结晶转变温度T_c约为198K，且冷却速率越慢，结晶转变温度T_c越高，形成以与1421键型相关的斜方晶体(经可视化分析确认)为主要构型的晶态结构. 这将为研究液态金属的结晶转变过程提供一种新方法. 关键词： 液态金属Ga 凝固过程 微结构转变 分子动力学模拟     

液态金属In凝固过程中微观结构转变的模拟研究

采用分子动力学方法对液态金属In的快速凝固过程进行计算机模拟跟踪研究.运用HA键型指 数法和原子成团类型指数法分析了金属原子In的成键类型和形成的原子团簇结构.发现：与通常的液态金属(如Al)相反，随着温度的降低，二十面体及与二十面体相关的1 551 键越来越少；与四方体，六角密堆积相关的1421，1422和1431键数目总和变化很小；而与菱 面体相关的132l，1311，1301和1201的数目却随着温度的降低而显著增加，逐渐占据优势 .最后形成一种新型的以菱面体结构为主、夹杂着立方体(fcc，bcc) 关键词： 液态金属In 微结构转变 团簇结构 分子动力学 计算机模拟     

Rh_nAl(n=1～6)团簇结构和磁性的研究

用密度泛函理论中的广义梯度近似方法研究了Rh_nAl(n=1～6)团簇的结构和磁性.结果表明:Rh(_n-1)Al和Rh_n(n=2～7)团簇结构是相似的,结合能随团簇尺寸变化趋势一致,原子间的s,p,d轨道杂化使得Rh_nAl团簇更加稳定.几乎所有Rh原子都是电子受体,Al-Rh键长越小.Rh原子得电子就越多.团簇磁矩主要来自Rh原子的贡献,Rh原子的4d轨道磁矩是Rh原子磁矩的主要部分.Al原子失去的电子越多,则其磁矩就相对越小.     

RhnAl(n=1-6)团簇结构和磁性的研究

用密度泛函理论中的广义梯度近似方法研究了RhnAl(n=1~6)团簇的结构和磁性。结果表明：Rhn-1Al和Rhn (n=2~7)团簇结构是相似的,结合能随团簇尺寸变化趋势一致,原子间的s,p,d轨道杂化使得RhnAl团簇更加稳定。几乎所有Rh原子都是电子受体,Al-Rh键长越小,Rh原子得电子就越多。团簇磁矩主要来自Rh原子的贡献,Rh原子的4d轨道磁矩是Rh原子磁矩的主要部分。Al原子失去的电子越多,则其磁矩就相对越小。     

二十面体团簇的遗传:一个与快凝Cu56Zr44合金玻璃形成能力有关的动力学参数

采用分子动力学方法模拟研究了液态Cu₅₆Zr₄₄合金在不同冷速γ与压力P下的快速凝固过程, 并通过基于Honeycutt-Andersen键型指数的扩展团簇类型指数法对其微结构演变特性进行了分析. 结果表明: 快凝玻璃合金的局域原子组态主要是(12 12/1551)规则二十面体、以及 (12 8/1551 2/1541 2/1431)与(12 2/1441 8/1551 2/1661) 缺陷二十面体. 通过原子轨迹的逆向跟踪分析发现: 从过冷液体中遗传下来的二十面体对快凝合金的玻璃形成能力(GFA)具有重要影响, 不仅其可遗传分数F_i =N_{300 K←Tg}ⁱ/N_Tg 与GFA密切相关, 而且其遗传起始温度(T_onset)与合金约化玻璃转变温度T_rg = T_g/T_m也存在很好的对应关系.     

Melting properties of mixed Ni13-xAlx(x=0 to 13) clusters

Starting from the configuration full optimized by Genetic Algorithm (GA), the melting behaviors of Binary Ni13-xAlx(x=0 to 13) clusters have been investigated by Monte Carlo (MC) simulations with Metropolis algorithm with a n-body Gupta potential. In contrast to bulk, these clusters have smeared first order transitions occurring over a range of temperature. The melting temperature Tm calculated from Lindemanns criterion vary drastically with concentrations x. For most clusters studied, the average energy per atom E, the relative root-mean-square (rms) bond length fluchuation δ and the heat capacity C per atom related to the energy fluctuation of the system change with temperature in the transition region in manners differing from LJ and alkali metal clusters. For Ni12Al, Ni7Al6, Ni6Al7, Ni5Al8 clusters, there are behaviors characteristic of magic number in C, which do not exist in the pure TM clusters.     

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

采用分子动力学方法对熔体初始温度热历史条件对液态金属Na凝固过程中微观结构的影响，进行了模拟研究，并采用双体分布函数g(r)曲线、键型指数法和原子团类型指数法对凝固过程中的微观结构进行了分析.结果表明：液态金属Na在不同熔体初始温度条件下以1×10¹¹K/s冷速凝固时，均形成晶化结构，其中1661和1441键型或体心立方基本原子团(14 6 0 8)在凝固过程中对微观结构的转变起决定性作用.同时发现：熔体初始温度对凝固微结构有显著影响，而对液态和过冷态的微观结构影响并不明显，只有在晶化起始温度T_c附近才充分地展现出来.不同熔体初始温度对凝固结构的晶化程度有不同的影响，虽其影响程度是随着熔体初始温度的下降呈非线性变化关系的，但仍表明是可以通过改变熔体初始温度来加以控制的.原子团类型指数法(比键型指数法)更进一步表征了晶化体系中原子团的结构特征，将有利于对液态金属凝固过程中微观结构的转变机理进行更为深入的研究.     

H_2在Al_nCr(n=1-7)团簇上吸附和解离的密度泛函研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法研究了H2在AlnCr(n=1-7)团簇上的吸附和解离.结果表明:AlnCr团簇结构与Aln+1团簇结构相似;物理吸附是H2以侧向的形式吸附在Cr原子上,H-H键长略微增长,H2的振动频率发生了红移;除了n=5外,其它AlnCr H2团簇的最稳定结构均是AlnCr团簇的最稳定结构与两个氢原子成键而成;AlnCr团簇向H原子转移了电荷;AlnCr H2团簇的平均结合能,垂直电离势和能隙均大于AlnCr团簇的,即AlnCr H2团簇比AlnCr团簇更稳定;Al7Cr对H2的化学吸附表现出较强的惰性,而AlnCr H2(n=1,2,6)则表现出较强的化学活性;由化学反应路径跟踪可知,通过改变AlnCr团簇中Al原子的个数可以调节H2的物理化学吸附行为.