脉冲电场作用下合金熔体原子团簇尺度变化模型

应用电偶极子理论,模拟了过热合金熔体在脉冲电场作用下团簇附近电场强度分布,得出在脉冲电场及电偶极子电场耦合场强作用下,由于电迁移速度不同,致使原子团簇附近溶剂、溶质淤积,进而使小尺度团簇有可能通过重构而长大;应用静电感应原理,计算了团簇半体受力情况,得出大尺度原子团簇半体受到耦合电场力较强,团簇稳定性减弱．研究表明,熔体内原子团簇在脉冲电场作用下其尺度有均一化趋势,即某一尺度原子团簇占优．     

共晶Co79.5Sn20.5合金的液态结构及其液固相关性

利用高温液态X射线衍射仪研究了共晶Co79.5Sn20.5合金熔体的液态结构. 研究表明, 对Co79.5Sn20.5合金熔体而言, 从1350℃至1150℃的温度范围内, 组成该熔体的原子团簇结构稳定, 熔体有序度随着温度降低有所提高. 同时利用“纳米晶粒模型”研究了该合金的液固相关性, 指出该合金熔体是由b Co3Sn2原子团簇和b Co原子团簇2种短程有序结构组成, 其液态结构和固态结构具有很好的一致性.     

银凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究了冷却速度对银最终构型的影响规律．通过分析银的径向分布函数、HA键对和最大晶体团簇中的原子数，确定出了银凝固后形成非晶的冷却速度．在此基础上，研究了周期性边界条件下银在凝固过程中亚临界晶核和晶体团簇的平衡结构．结果表明：在一定的冷却速度范围内，银熔体凝固后得到的组织是晶体团簇与非晶的混合体，最大晶体团簇尺寸随冷速的增加而减小，当冷速达到一个临界值时，晶体团簇完全消失．银熔体在凝固过程中的晶体团簇及结晶后的晶体是由面心立方和密排六方构成的层状偏聚结构．该层状偏聚结构起源于熔体中的晶胚，在形核阶段就已经生成，并非在生长阶段才开始产生．     

超声凝固条件下二元Al-12.6%Si共晶合金的组织演变机制研究

在三维高强超声场中实现了二元Al-12.6%Si共晶合金的动态凝固过程,探索了其组织演变机制.结果表明,静态凝固条件下形成典型的共晶组织,其中(Si)相呈不规则薄片状,而α(Al)相为枝晶状.三维超声作用下,空化引起熔体过冷和声流改变温度场和溶质场的分布特征,使两共晶相独立形核,从而形成离异共晶组织.超声的高频振动效应增加了(Si)相的孪晶生长几率,导致大量交错孪晶(Si)相产生.由于超声降低了两相之间的界面能,共晶组织平行生长取向程度升高,同时其显微硬度显著提高.     

Aln (n = 3, 4, 6, 13, 19)团簇的结构稳定性与形态演化

采用第一原理赝势平面波方法, 计算了不同结构形态Al_n (n = 3, 4, 6, 13, 19)团簇的几何与电子结构, 通过结合能与HOMO-LUMO能隙表征和分析了其结构稳定性, 采用线性同步转变 (LST)方法考察了其不同结构形态间的演化与转 变. 结果表明: Al₃, Al₄, Al₆, Al₁₃和Al₁₉团簇的稳定结构形态分别为三角形、 菱形、八面体、二十面体、双二十面体. Al₃, Al₄与Al₁₃团簇不存在亚稳结构. Al6与Al19团簇存在亚稳结构, 其结构形态分别为平行四边形与八面体. Al₆团簇亚稳结构与稳定结构的能级差大、转变能垒低, 结构转变容易, 亚稳结构稳定性差. 而Al₁₉团簇亚稳结构与稳定结构的能级差小、转变能垒高, 结构演化不易, 因而实验和理论模拟中能观察到其亚稳结构形态——正八面体的存在.     

金属熔体中程有序结构

用高温X射线衍射仪研究了纯铜，纯铝，Cu-Al，Al-Ni，Al-Fe，Al-Si等合金的熔体结构，发现Cu-Al，Al-Ni，Al-Fe合金熔体中除存在短程有序结构外，还存在中程有序结构.在纯金属铜、铝及Al-Si合金熔体中的不同温度范围内，只测取到了短程有序，没有发现中程有序结构.同时发现金属熔体中的这种中程有序结构的存在与消失是温度的函数.结构因子预峰是中程有序结构的表征.在铁含量分别为14%，16%和19%(质量分数，下同)的Al-Fe合金的结构因子曲线S(Q)上，温度为1550℃ 时，都存在预峰，即熔体中都存在中程有序结构.Al-35%Ni合金熔体温度在≤1300℃范围内，存在预峰；温度高于1400℃时，预峰逐渐消失.在Cu-12%Al合金熔体中，当温度低于1250℃时，结构因子曲线上18.5 nm-1位置有预峰出现.随着温度的下降，预峰变得更加明锐.依据Cu-Al合金熔体结构测试结果，建立了中程有序结构模型.     

纳米团簇晶体的制备和结构研究

利用表面调制“幻数团簇”的方法制备出Al、Ga和In的纳米团簇人造晶体。这种方法是用Si(111) 7× 7表面作为“模板”生长尺寸相同和分布有序的纳米团簇。通过扫描隧道显微镜 (STM )原位分析结合第一性原理计算确定了金属纳米团簇的原子结构以及这些结构的形成机理。我们的研究表明对生长动力学的精确控制是制备团簇晶体的关键所在。此外 ,这种方法并不局限于制备某一种金属团簇。人造纳米团簇具有高的热稳定性和独特的结构使它们有希望在实际中得到广泛的应用。     

在二元合金过冷熔体中枝晶生长在远场来流作用下的稳态解

研究在二元合金过冷熔体中远场来流引起的对流对稳态枝晶生长的影响．在大Schmidt数和零表面张力的情形下,将纯熔体中远场来流引起的对流对枝晶生长作用的结果推广到受远场来流影响的二元合金过冷熔体中,利用多重尺度方法得到了稳态枝晶生长的渐近解,并分析了在对流的作用下枝晶生长的温度和浓度以及界面形态的变化．当熔体流动速度增大时,过冷度对枝晶尖端曲率半径的影响减小．与关于纯熔体的结果比较,二元合金过冷熔体中流动速度对界面形态有更大的影响,界面形状仍然是一个近似的抛物面,流动速度通过影响规范化参数使得系统的Peclet数倾向于进一步增加．     

Fe-Mn-Si基形状记忆合金中FCC相的电子结构与稳定性

利用基于第一原理的离散变分法研究了Fe-Mn-Si合金的电子结构与FCC相稳定性的关系. Si元素使Fe原子的d带空穴数减少, 而Mn的影响较复杂. 以此为基础, 从电子浓度的角度解释了这两种元素对合金层错能的影响, 并结合对合金结合能的计算结果—— Si降低合金的结合能而Mn的作用相反, 阐述了Mn降低而Si升高马氏体相变温度的物理原因. 在不同方向上施加应力时, 合金的电子结构发生变化, Fermi能级处的总态密度有明显提高. 从Fermi能级附近的能谱变化可看出, 应变使能隙减小, 能级的简并性提高. 在同一方向上施以不同的应变, 中心原子的3d和4s轨道上的电子数减少, 3d局域态密度变窄, 且峰值增加. 对比电子密度的变化, 在应力方向上的成键轨道有减弱的趋势, 而在垂直于应力的方向上出现增强, 导致FCC结构的稳定性降低. 这是外场(应力)作用下合金的马氏体相变温度提高的重要原因.     

熔体过热对Sn—Bi40合金熔体结构转变及凝固组织的影响

以Sn－40wt％Bi合金为研究对象,探索了其在不同温度下恒温过程熔体电阻率随时间的变化规律,以及不同熔体状态与凝固行为及组织的关系．结果显示：在一定的临界温度以上,熔体保温相应时间后电阻率发生异常变化,提示熔体发生了结构变化;且随过热温度的提高,熔体结构转变所需“孕育期”愈短,转变速度愈快．凝固实验表明,一定过热度及相应保温时间所引起的熔体结构状态不同,导致凝固过冷度增大、晶粒明显细化且形态也发生改变．进一步的探索还表明,对应特定保温时间,凝固过冷度在一定的熔体过热温度下出现最大值．对上述现象的作用机理进行了简要的分析讨论．     

基于铝诱导结晶的多晶硅薄膜材料结构优化

基于铝诱导结晶化（AIC）方法,研究了不同溅射材料结构对多晶硅薄膜形成过程和材料特性的影响.首先利用射频溅射Si和直流溅射Al的方法,分别在普通玻璃衬底上沉积Si/Al/Glass,Al/Si/Glass,Si/Al/L/Si/Al/Glass三种不同结构的薄膜材料.采用相同的低温退火（500℃）工艺,对上述薄膜进行了多组时间下的退火Al诱导结晶处理.对退火处理后的样品去除表面多余Al之后进行了X射线衍射、电子显微镜表面观察和霍耳迁移率测试,分析其晶体质量特性和电学特性.结果表明,在足够长时间下,3种结构均可成功实现AIC多晶硅薄膜,其中采用多重周期性结构的薄膜结晶速度最快,并得到更优的结晶效果.     

多元Ti-Cu基合金非晶形成过程的分子动力学模拟与落管实验研究

采用DeePMD计算方法和落管快速凝固实验技术,研究了液态Ti_41.5Cu_37.5Ni_7.5Hf₅Sn₅Zr_2.5Si合金的非晶凝固机制.分子动力学计算结果显示,液态合金原子的总第一近邻配位数随系统温度的降低而增加,而Ti原子的第一近邻原子数则随着温度的降低而减少.同时,随着系统温度的降低,液态合金中二十面体和类二十面体团簇的数量显著增多,但中心Ti原子的比例却发生了衰减.在非晶凝固过程中, Ti原子表现出与大尺寸原子的弱亲和性和对二十面体团簇的弱构建性.在自由落体实验中,合金液滴所能达到的过冷度随液滴直径的减小而增大,其凝固组织主要由少量的富Cu相、极细的非规则(Ti₂Cu+TiCu)共晶和非晶相组成.当合金液滴直径减小至566μm时,合金凝固组织中开始出现非晶相,相应的临界过冷度?T_C为312 K (0.27TL).非晶相体积分数随着液滴尺寸的减小而增大.如果合金液滴直径小于317μm,晶体相的形核与生长被完...     

强磁场下不同溶质含量过共晶Al-Ni合金凝固组织中Al3Ni初生相的定向排列

在不同溶质元素含量的过共晶Al-Ni合金的凝固过程中施加均恒强磁场,研究了Al-Ni初生相的定向排列行为．结果发现,均恒磁场能够使Al3Ni初生相均匀分布．而且,在平行于磁场方向的截面上Al3Ni初生相沿垂直于磁场方向发生定向排列,呈相互平行的链条状组织．但是,Al-Ni初生相晶体取向和定向排列是不同的,当初生相发生晶体取向时,却不一定发生定向排列．当溶质元素含量增大时,发生定向排列的Al3Ni初生相的量会明显减少．分析认为,合金中Ni溶质元素含量越低,磁场强度对溶质浓度场的影响越显著,Al3Ni初生相的定向排列效果越好．     

金属/非金属间界面热导的飞秒激光瞬态热反射法测量

搭建了飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射测量系统,利用该系统测量Al/SiO2,Al/Si,Au/SiO2,Au/Si四种样品的界面热导.测量结果表明,对于同一种金属薄膜,基底热导率越低,金属与基底间的界面热导越小.通过引入DMM模型中的声子透过率,初步解释了实验结果.     

Fe-Mn-Si 形状记忆合金fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力

应用周国治提出的新溶液模型计算所得的Fe Mn Si中γ和ε相的Gibbs自由能 ,并考虑了Si的影响 ,重新导出了γ和ε相随温度变化的热力学参量 .用最小均方根方法将实验值拟合得到合金γ相的Neel温度与组分浓度 (摩尔分数 )的关系式 :TγN=6 7xFe 5 40xMn xFexMn[76 1 6 89(xFe-xMn) ]- 85 0xSi.计算得到不同组分Fe Mn Si合金马氏体相变的临界驱动力ΔGγ→εc ,即合金在Ms 温度γ和ε相的自由能差 ,例如 ,Fe 2 7.0Mn 6 .0Si合金的ΔGγ→εc =- 1 0 0 .99J/mol,Fe 2 6 .9Mn 3.37Si的ΔGγ→εc =- 1 2 2 .1 1J/mol.ΔGγ→εc 与组分的依赖关系符合低层错能合金中fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力表达式 ,即ΔGγ→εC =A·γ B ,其中γ是层错能 (SFE) ,A和B为与材料相关的常数 .     

液态金属Α1凝固过程中团簇结构的尺寸分布及幻数特性

采用分子动力学方法,对含有100000个Al原子的液态金属系统在快凝过程中团簇结构的形成及幻数特性进行了模拟研究,采用原子团类型指数法(CTIM)描述了各种类型的团簇结构组态.模拟结果显示:在凝固过程中,二十面体原子团(120120)及其组合在微观结构转变中起着最重要的作用;由不同数目基本原子团的不同组合所形成的不同层次的团簇结构,其尺寸分布具有明显的幻数序列,依次为13(13),19(21),26~28(27),32~33(32),39~40,43~44,48,······等(括号内为液态时的对应值),它们分别依次与由1,2,3,4,5,6,7,······个基本原子团的不同组合所形成的该层次的团簇数的峰值位置相对应.本幻数序列与Harris,Echt及Schriver等人的实验结果相符.     

定向凝固界面形态演化及其稳定性的相场法研究

采用B—S相场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响．模拟结果再现了随抽拉速度和温度梯度的变化凝固界面形态发生深胞→浅胞→平界面的演化过程，比较了不同抽拉速度和不同温度梯度下一次间距、沟槽深度以及有效溶质分配系数等参数，预测了高抽拉速度和高温度梯度条件下的绝对稳定性，模拟结果与M—S稳定性理论吻合良好．     

价电子结构参数的统计值在钛合金相变温度及共析转变研究中的应用

基于“固体与分子经验电子理论”（EET）,计算了一组表征合金相性质的价电子结构参数的统计值SnA,SEA,并利用价电子结构参数的统计值讨论了合金元素V,Nb,Mo,Hf,Zr,Fe,Mn,Co,Cr,Si等合金元素对钛合金相变温度及共析转变的影响,研究结果与实际符合很好.     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.