金属Cu体熔化与表面熔化行为的分子动力学模拟与分析

采用Mishin嵌入原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu原子体系的体熔化和表面熔化行为，分析了体熔化过程中系统结构组态和能量变化以及表面熔化过程中固-液界面迁移情况．模拟结果表明：在体熔化过程中，结构组态与能量在1585K处发生突变；在表面熔化过程中，固-液界面在1380K保持静止．两种熔化过程的不同发生机制是导致体熔点1585K高于热力学熔点1380K的原因．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．得到的热力学熔点与实验结果吻合良好，验证了本文所采用方法是正确和有效的，同时也说明了Mishin嵌入原子势适合处理复杂无序体系．     

深过冷液态金属Cu的热物理性质和原子分布

针对液态金属Cu在深过冷亚稳条件下的热物理性质和液态结构数据缺乏的问题,采用分子动力学方法结合修正嵌入原子势,研究了常规液态和亚稳液态金属Cu的热物理性质(熔点、密度、比热容和自扩散系数)和原子分布规律,体系温度范围为800~2400 K,最大过冷度达到556 K。通过构建晶体-液体-晶体结构,探索了金属Cu的熔化过程,获得最优的熔点计算温度为1341 K,与实验值误差1.11%。获得了宽广温度范围内液态金属Cu的密度随温度的变化规律,采用Mishin势函数计算的熔点处密度模拟值为7.86 g/cm~3,与文献报道的实验结果的误差小于2%。液态金属Cu的焓在800~2400 K范围内随温度呈线性关系变化,即比热容几乎不随过冷度变化而变化,而自扩散系数则随温度呈指数关系变化。根据不同温度原子的位置变化,获得了相应的双体分布函数,发现液态体系始终处于短程有序、长程无序的状态,且原子短程有序度随温度升高而降低,短程有序结构仅保持在3~4个原子间距范围内,且随间距增大而展现出典型的无序特征。     

液态金属Ag6Cu4凝固过程中非晶转变的分子动力学模拟

用 quantum Sutton-Chen 多体势对液态金属Ag6Cu4凝固过程进行了分子动力学模拟研究. 在冷却速率为2×1012～2×1014 K/s范围内, Ag6Cu4总是形成非晶态结构, 在非晶态合金的形成和稳定性中起关键作用的是原子的二十面体结构. 采用键对及原子多面体类型指数法对凝固过程中微观结构组态变化的分析, 有助于对液态金属的凝固过程、非晶态结构特征的深入理解.     

非晶Cu在晶化过程中的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟的方法, 采用紧束缚势函数, 研究了非晶Cu在升温条件下的晶化行为, 分析了系统能量、体积、双体关联函数和局部结构的变化, 并结合键对分析方法计算了不同弛豫时间下典型短程有序结构的分布. 结果表明, 在非晶Cu升温的最初阶段, 原子运动未必造成短程结构的进一步规则化; 结构转变初期,首先发生1431和1541键向1421键的转变, 1421键型数量在400 K以上则基本呈现直线上升的趋势, 接近600 K时达到最大值; 此后1421键的数量随温度的上升而下降, 熔化时其数量急剧减少.     

分子动力学法对Cu-Ag合金熔化及凝固过程的模拟

借助镶嵌原子势(EAM)利用等压等温的分子动力学方法(NPT-MD)模拟共晶Cu40Ag60合金的熔化,凝固过程.利用径向分布函数和对分析技术研究Cu40Ag60台金在不同的冷却速率(1×1011,1×1012,5×1012,1×1013。及1×1014 K/s)下的非晶形成能力和微观结构演化.研究发现Cu40Ag60合金形成非晶态需要极大的冷却速率.模拟中的结构分析揭示了合金在冷却过程中微观结构的演化规律     

过冷及非晶态Cu扩散性质的分子动力学模拟

采用分子动力学方法，模拟了液态Cu在快速凝固过程中处于过冷态和非晶态时原子的扩散行为，原子间相互作用势采用镶嵌原子(EAM)势，扩散性质由平均方差(MSD)时间关联函数描述，结构分析使用偶关联函数和对分析技术．计算结果表明扩散运动对于晶体的产生起着重要的作用．给出了不同弛豫时刻的微观结构信息．     

大块金属玻璃Pd40Ni10Cu30P20结构弛豫的研究

采用差示扫描量热仪(DSC)研究了大块金属玻璃Pd40Ni10Cu30P20的结构弛豫。结果表明金属玻璃Pd40Ni10Cu30P20的结构驰豫可分为2个阶段：在400K～520K的温度范围，样品发生的是低温结构弛豫，所伴随的结构变化是局域的和短程的，自由体积没有发生明显湮灭，所以样品的密度变化不大。而在520K～玻璃转变温度Tg的温度范围，样品发生的是高温结构弛豫，在这一过程中发生原子的中长程扩散，部分自由体积通过样品表面发生湮灭，因而导致样品的密度显著增加。实验还表明，在Tg以下进行预退火处理使得大块金属玻璃Pd40Ni10Cu30P20的玻璃转变激活能明显降低，但对后续的晶化过程的影响不大。     

热处理温度对Cu-In薄膜微观结构的影响

采用电镀工艺制备了CIS太阳能电池的Cu-In预制薄膜,通过分析不同温度热处理后材料结构的变化,研究了Cu-In预制层薄膜的相变规律及其表面特征.实验结果表明:在433K温度下进行热处理后,Cu-In薄膜由单质In及少量Cu11In9构成,此时单质In熔化,凝固后其表面In颗粒长大;当热处理温度高于577K时,在表面富In区发生固液转变,薄膜表面更加致密.随着Cu和In原子相互扩散加剧,Cu11In9最终完全转变为Cu16In9.     

Cu/Sn-52In/Cu微焊点液-固电迁移行为研究

采用同步辐射实时成像技术对比研究了Cu/Sn-52In/Cu微焊点在120和180℃,2.0×10~4A/cm~2条件下液-固电迁移过程中In、Sn和Cu原子的扩散迁移行为及其对界面反应的影响。由于没有背应力,液-固电迁移条件下Sn-52In焊点中In原子的有效电荷数Z*为负值是其定向扩散迁移至阳极的物理本质,这与Sn-52In焊点固-固电迁移条件下背应力驱使In原子迁移至阴极的机理不同。基于液态金属焓随温度的变化关系,修正了计算液态金属Z*的理论模型,计算获得In原子在120和180℃下的Z*分别为-2.30和-1.14,为电迁移方向提供了判断依据。液-固电迁移过程中In和Cu原子同时由阴极扩散至阳极并参与界面反应使得界面金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)生长表现为"极性效应",即阳极界面IMC持续生长变厚,并且厚于阴极界面IMC,温度越高,界面IMC的"极性效应"越显著。液-固电迁移过程中阴极Cu基体的溶解与时间呈抛物线关系,温度越高,阴极Cu的溶解速率越快。     

钛纳米颗粒熔化行为的分子动力学模拟研究

分子动力学常被用来模拟金属粉末3D打印过程中的颗粒熔化过程,了解颗粒的熔化行为对研究打印过程有重要意义。采用嵌入式原子势模型,在相同加热速率下,对块体Ti和不同尺寸的球型Ti纳米颗粒系统进行模拟研究。结果表明:Ti纳米颗粒的熔化温度低于块体Ti,并且随着颗粒尺寸的增加,熔化温度也在增大,这意味着尺寸在纳米颗粒熔化过程中起着重要作用。     

保存环境对不同结构水淬渣活性的影响

采用将矿渣在不同温度重新熔融并水淬的方法制备了不同水淬渣样品，应用XRD、DTA等分析手段对不同样品的结构特征进行了分析，同时结合胶凝材料抗压强度实验，研究了不同水淬样品在潮湿环境保存7d后的胶凝活性变化特点及原因。研究表明，形成过程对水淬渣在不同保存环境下胶凝活性的影响不同，较低水淬温度下形成水淬渣的胶凝活性在潮湿环境中下降最大，样品玻璃相中存在不同程度的分相结构是产生这一影响的主要原因。     

Optimization of Partial Melting Process for Bi-2212 Multi-Filament Wires

采用共沉淀工艺制备Bi-2212前驱体粉末,并结合粉末装管法得到19×(36+1)的Bi-22212多芯线材。在部分熔化热处理过程中分别对最高热处理温度Tmax和冷却速率Rc1进行了优化。使用扫描电子显微镜对线材中第二相的分布和芯丝状态进行观察。同时,通过对线材进行差热和热重等热分析方法,对线材在热处理过程中的气孔和第二相的形成过程进行定量分析。结果发现,最高热处理温度和冷却速率对芯丝中包括Bi-2201和AEC等在内的第二相种类和含量,及气孔密度都有较大影响。最终获得最优化的热处理工艺为Tmax=892℃,并且冷却过程采用Rc1=40℃/h的两步降温法,在77 K自场条件下得到了4400 A·cm-2的临界电流密度,本研究为进一步提高Bi-2212线材熔化热处理过程优化提供了理论依据。     

一种新型淬火冷却技术的研发和应用

淬火油是热处理淬火过程中应用最广的冷却介质,同时也是最重要的污染源和火灾隐患。近年来,由于热处理数值模拟虚拟系统和精确控制技术的完善和应用,使以水代油淬火冷却技术得以实现。该技术以数据挖掘型模拟系统为工具,以优化的工艺数据库为核心,通过具有灵活切换和调整冷却能力功能的工艺装备,形成以水代油淬火冷却的智能化系统技术,从而实现淬火冷却的节能、环保、安全目标。     

用铜模快冷法制备均质Al—In过偏晶合金

采用铜模快冷工艺制备了均质的Al-In过偏晶合金，分析了合金熔配过程、合金成分以及冷却速率对显微组织的影响。研究结果表明，对于质量分数不大于30％In的合金成分，1173K时保温40min以上时可得到均匀的单一合金熔体。采用铜模快冷方法可以得到第二相颗粒均匀分布的至少4mm厚的均质合金薄板。In颗粒尺寸分布具有双峰分布形式。随着In含量的增加或薄板厚度的增大即冷却速率的降低，In颗粒的平均尺寸增大。     

T形焊接接头固有变形逆解析方法的开发

基于固有应变方法的弹性有限元方法是适用于大型复杂焊接结构件变形预测的有效方法,但这一方法得以运用的必要条件是必须已知存在于焊缝附近的固有变形.文中利用物理试验和数值模拟技术相结合的研究手段开发了典型焊接接头固有变形的逆解析数值计算方法.利用逆解析得到的固有变形值,采用固有应变弹性有限元方法对T形焊接接头的焊接变形进行了预测.通过比较数值模拟结果和试验测量值,验证了基于数值模拟技术的逆解析方法的求解精度.结果表明,T形焊接接头固有变形的逆解析算法是正确有效的.     

Formation of scanning tracks during Selective Laser Melting (SLM) of pure tungsten powder: Morphology,geometric features and forming mechanisms

Due to the high melting point and high heat conductivity, selective laser melting (SLM) of tungsten is still challenging. To have a better understanding of SLM tungsten parts, the effects of processing parameters such as laser power and scanning speed on scanning tracks formation of pure tungsten powder were investigated. As linear energy increased with increasing laser power and decreasing scanning speed, the height and contact angle of scanning tracks gradually reduced, while the width and penetration depth increased. Owing to the good wetting and spreading, the flow front of scanning tracks gradually became smooth and stable with the increased linear energy. However, the transverse cracks induced by large temperature gradient and high cooling rate appeared on the surface of the scanning tracks at linear energy of more than 1.75 J/mm. A maximum temperature of 4630.27 °C and high cooling rate of 8.6 × 10⁶ °C/s were obtained during SLM process of tungsten powder when the linear energy was 1.75 J/mm. This work provides scientific guidance for SLM-processed tungsten parts.     

过冷Cu80Ni20合金熔体凝固组织的两次细化机制

在大气条件下，采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法，在44K-176K过冷度范围内。研究了Cu80Ni20合金凝固组织的两次细化机制。第一类粒状晶的形成为熔断-再结晶机制．枝晶形成过程为：首先，快速凝固过程中的树枝晶发生严重重熔，形成树枝晶段；然后。树枝晶段通过外延生长后形成不稳定晶界，并在界面能驱动下与高温发生晶界移动和晶粒合并，形成再结晶晶粒。第二类粒状晶的形成为碎断-再结晶机制，在大过冷度下，快速凝固过程中液固相体积转变速率的提高，不仅使枝晶内部缺陷骤然增加，而且会导致固相内极高的应力和应变能。在应力作用下枝晶全面碎断，形成“网状枝晶块”，枝晶块通过内部缺陷和应变能的作用，发生界面的移动和合并即再结晶过程，形成第二类粒状晶。     

A CELLULAR AUTOMATON-APPROACH TO SIMULATION OF GRAIN STRUCTURE DEVELOPMENT IN ELECTROSLAG CASTING

1.IntroductionElectroslagcastingcanproducepartsofgoodquality,ofwhichthemechanicalpropertiesarecomparablewithorsuperiortothoseofforgedproducts.Ithasbeenmoreandmoreutilizedtomakestructuresofcriticalimportance,whichconventionallywoulddoubtlesslybemadebyforging.Understandingandcontrolofmicrostructures,especiallyshape,sizeandorientationofcrystallitesinelectroslagcastingarethereforemoreandmoreimportantforsafetyconcernintheirapplication.Experimentalstudiesofthegrainstructuresandtheirdependenceonvario…     

Effects of quenching rate on amorphous structures of Cu46Zr54 metallic glass

Metallic glass shows some superior properties different from crystalline, but the nature of amorphous structure and structural change during glass transition have not been completely understood yet. Molecular dynamics simulation provides intuitive insight into the microstructure and properties at atomistic level. Before probing into the microstructures of metallic glass with molecular dynamics (MD) simulation, it is important to obtain amorphous state first. In the current work, we reproduce the process of manufacturing metallic glass in laboratory including the melting, equilibrating and quenching procedure with molecular dynamics simulations. The structure changing at melting point and glass transition temperature are investigated with the different cooling processing. The partial radial distribution function (PRDF) is applied as a criterion to judge the final amorphous state obtained considering the quenching at different cooling rates and the effects of cooling rate on the formation of amorphous structures are further discussed.