预熔的Al-Pb固液界面中短程结构作用势能的计算研究

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液相金属致脆、热裂等材料失效行为在工业生产中很常见,产生此类行为的原因有很多,但最根本的原因就是其中存在一种相互作用,即短程结构相互作用势能-分离势。分离势是微观尺度上两个相近的界面之间的相互作用。深入认识和测量分离势这一重要的热力学函数,将会对合金微观界面结构与热力学性质的调控产生重要意义,也可为材料界面基因组工程提供基础数据。到目前为止,对于分离势的研究主要集中在金属表面预熔化、晶界预熔化体系中,而对于固液界面预熔化体系下的分离势的研究还很少。此外,已有的研究表明晶界取向、合金浓度也会对分离势的形式产生影响,而采用合金体系研究不同晶界取向下的分离势的研究还很缺乏。基于上述背景,本文研究的是Al-Pb合金固液界面预熔化体系中同质固液界面与异质液液界面之间的分离势,采用分子动力学模拟方法来建立Al-Pb体系,选取了三个不同的晶体学方向(100)、(110)、(111),各模拟了9组不同的温度,分离势的分析和计算采用Fensin等人[Phys.Rev.E,81:031601(2010)]提出的直方图抽样方法,本研究将此方法拓展到异质固液界面预熔化体系中,统计了不同温度下的预熔铝膜的厚度涨落,得到不同温度平衡态下预熔液膜厚度的概率密度,提取出了分离势能函数与液膜厚度的关系。得到的结论如下:(1)发现分离势的衰减长度处于1.3-1.5?之间。与Yang等人[Phys.Rev.Lett,110:096102(2013)]通过完全预熔化理论预测得到的该体系下的分离势结果和方法进行了对比,发现两种计算方法获得的结果整体上很接近的。在方法上存在很大不同,本研究中采用的方法在液膜厚度涨落数据的利用、分离势的形式选取上有更大的优势,对于之后研究更复杂的合金体系下的分离势能够提供更多的帮助。(2)分离势的理论研究表明分离势来源于密度波的错配,在这个研究的启发下,本工作研究了熔点温度下该体系中的固液界面和液液界面中铝原子数密度分布,发现固液界面衰减长度大于液液界面的衰减长度,与分离势的双指数衰减形式中的两个衰减长度进行了对比,发现双指数函数形式中衰减长度大的指数项的贡献来自于铝-铅固液界面,衰减长度小的指数项的贡献来自于铝铅液液界面。
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