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TiC/Ni固液界面异质形核行为的第一性原理分子动力学模拟

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中国有色金属学报 2024年

作者：王文菲康瑶黄盛星黄昊王旭东姚曼大连理工大学材料科学与工程学院

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论，针对四种TiC/Ni固液界面，从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析，进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。计算结果表明TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可... 详细信息

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论，针对四种TiC/Ni固液界面，从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析，进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。计算结果表明TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出Ni的预形核层（Pre-Nucleation Layer，PNL），且界面PNL的层间及面内有序度排序均为：[Ti]-TiC(111)/Ni > [C]-TiC(111)/Ni > TiC(100)/Ni。[Ti]-TiC(111)与PNL的Ni原子间强的相互作用及化学键合使得其诱导出的PNL有序度最高。而TiC(110)基底无法诱导液体Ni原子形成预形核层，其促进Ni形核的能力相较于上述三种基底最弱。在降温过程中，液相中剩余的Ni原子通过在TiC(100)、[Ti]-TiC(111)及[C]-TiC(111)基底诱导出的PNL作为过渡层的基础上，随温度的降低在其外侧聚集成簇形成稳定的晶核。这为探明TiC颗粒促进镍基高温合金异质形核的机制提供定量理论数据。

关键词： TiC/Ni固液界面预形核层异质形核第一性原理分子动力学模拟

第一性原理研究合金元素对逆变奥氏体在Cu沉淀上异质形核的影响

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物理学报 2022年第8期71卷 269-277页

作者：吴迪杨永 †章小峰黄贞益王昭东安徽工业大学冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室马鞍山243002 安徽工业大学冶金工程学院马鞍山243000 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室沈阳110819

超高强度马氏体钢的力学性能强烈依赖于逆变奥氏体的形状、尺寸及含量.通常,提高逆变奥氏体含量,有助于改善超高强度钢的塑韧性.对含Cu马氏体淬火钢时效处理时, Cu粒子会在马氏体组织边界沉淀,并作为质点促进逆变奥氏体形核.为了探索不... 详细信息

超高强度马氏体钢的力学性能强烈依赖于逆变奥氏体的形状、尺寸及含量.通常,提高逆变奥氏体含量,有助于改善超高强度钢的塑韧性.对含Cu马氏体淬火钢时效处理时, Cu粒子会在马氏体组织边界沉淀,并作为质点促进逆变奥氏体形核.为了探索不同合金元素对逆变奥氏体在Cu沉淀上异质形核的影响,本文利用第一性原理方法研究了合金元素X (X=Cr, Al, Mo, W, Ni, Co, Mn)对Cu/γ-Fe界面性质的影响,并分析了合金原子替换界面处Cu和Fe原子前后界面的黏附功、界面能和电子结构.研究结果表明,合金元素Cr,Mo, W, Mn替换Cu/γ-Fe界面处Cu原子时, Cu/γ-Fe界面处产生强烈的X—Fe共价键,黏附功增大且界面能减小,显著提高界面稳定性,促进γ-Fe在Cu沉淀上异质形核.而替换界面处Fe原子时,界面稳定性变化很小,掺杂原子与相邻的其他原子成键较弱.

关键词：第一性原理逆变奥氏体异质形核黏附功

NbC对HRB500钢筋凝固过程中异质形核与晶粒细化的影响

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建筑材料学报 2022年第1期25卷 68-73页

作者：熊星强李长荣庄昌凌黎志英王劼贵州大学材料与冶金学院贵州贵阳550025 贵州大学贵州省冶金工程与过程节能重点实验室贵州贵阳550025 首钢水城钢铁(集团)有限责任公司贵州六盘水553000

基于二维错配度理论,针对以NbC为基底的相对形核相γ-Fe、α-Fe进行错配度计算.利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、金相显微镜(OM)、动态热模拟相变仪,以及力学性能测试,研究了含Nb微合金钢的析出强化、细晶强化、控冷效果、显微组织... 详细信息

基于二维错配度理论,针对以NbC为基底的相对形核相γ-Fe、α-Fe进行错配度计算.利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、金相显微镜(OM)、动态热模拟相变仪,以及力学性能测试,研究了含Nb微合金钢的析出强化、细晶强化、控冷效果、显微组织及力学性能.结果表明:α-Fe与NbC异质形核的效果较好,γ-Fe与NbC异质形核的效果不理想;在连续冷却过程中,珠光体的临界冷却速率为1.5℃/s,贝氏体的临界冷却速率为5.0℃/s;含Nb的HRB500钢筋通过合适的控冷工艺可以有效细化晶粒尺寸,提高微合金钢的力学性能.

关键词：异质形核析出强化晶粒细化力学性能

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含Zr镁合金晶粒细化机理与研究进展

金属学报 2024年第2期60卷 129-142页

作者：刘勇曾刚刘洪王煜李建龙南昌大学先进制造学院、江西省轻质高强结构材料重点实验室南昌330031

细晶强化是镁合金的主要强化方式。Zr是镁合金(不含Al、Si等元素)最有效的晶粒细化剂,通常以Mg-Zr中间合金的形式加入。如何调控Zr元素在Mg-Zr中间合金中的存在形态(颗粒Zr与溶质Zr)是实现含Zr镁合金晶粒有效细化的关键。本文综述了镁... 详细信息

细晶强化是镁合金的主要强化方式。Zr是镁合金(不含Al、Si等元素)最有效的晶粒细化剂,通常以Mg-Zr中间合金的形式加入。如何调控Zr元素在Mg-Zr中间合金中的存在形态(颗粒Zr与溶质Zr)是实现含Zr镁合金晶粒有效细化的关键。本文综述了镁合金晶粒细化的理论研究,基于生长抑制理论与异质形核理论,探讨了溶质Zr与颗粒Zr细化镁合金的机理,指出了含Zr镁合金晶粒细化的工程应用瓶颈。从颗粒Zr与溶质Zr2方面综述了镁合金晶粒细化的研究进展,提出了Zr细化镁合金晶粒的协同设计策略。最后,对Zr细化镁合金晶粒的发展趋势进行了展望。

关键词：镁合金晶粒细化生长抑制异质形核 Mg-Zr中间合金

Al-Cu合金凝固过程初生铝相异质形核及生长行为的模型建立及数值模拟

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Al-Cu合金凝固过程初生铝相异质形核及生长行为的模型建立及数值...

作者：胡晋山东大学

学位级别：硕士

Al-Cu合金因其出色的综合力学特性,已被广泛应用于航空航天、汽车、飞机等行业,在合金加工和制备过程中,凝固所形成的微观组织将直接影响到材料的使用性能。近年来,数值模拟技术的进步和凝固理论的完善,已成为研究凝固过程的有力工具,... 详细信息

Al-Cu合金因其出色的综合力学特性,已被广泛应用于航空航天、汽车、飞机等行业,在合金加工和制备过程中,凝固所形成的微观组织将直接影响到材料的使用性能。近年来,数值模拟技术的进步和凝固理论的完善,已成为研究凝固过程的有力工具,可以更好地揭示其组织演变的规律。通过建立正确的数学物理模型,利用计算机强大的计算能力可以模拟合金在各种因素下凝固组织的演变过程。本文基于元胞自动机方法,使用Visual Studio 2015 MFC平台及C++计算机编程语言,模拟了 Al-Cu合金凝固时微观组织的生长演变过程,探究了非均匀温度场、Ti溶质扩散场、半固态成形搅拌过程引起枝晶旋转对晶粒形核生长过程的影响。(1)基于自由生长模型,将非均匀温度场与形核生长模型相耦合,模拟了非均匀温度场下Al-Cu合金异质形核的形核生长行为,分别模拟了不同散热条件下及内部不均匀温度场下的单核心及多核心的微观组织演变,不同散热边界条件下模拟结果显示靠近散热边界处的形核核心越早被激活,枝晶臂更加发达,内部非均匀温度场条件下,形核核心处过冷度高于熔体其他区域,更容易被激活。该模型注重温度对形核的影响,更准确及贴合生产实际。(2)基于对Al-Ti-B细化机理的分析,发现Al-Ti-B中的溶质Ti在细化晶粒中发挥着至关重要的作用。对前期建立的形核模型进行完善,耦合Ti溶质的扩散场建立了新的Al-Ti-B中间合金细化处理条件下α-Al晶粒形核生长模型,研究溶质Ti对Al-Cu合金异质形核核心的形核生长行为的影响,以更好地理解溶质Ti如何影响铝合金晶粒细化。(3)基于对半固态成形近球状组织形成机理的研究,本文建立了一个枝晶旋转模型,通过周期性调整晶粒的生长方向,可以有效地控制枝晶的旋转,原有的树枝状对称结构被改变,枝晶呈明显的旋向生长。在多形核核心模拟中,发现极少枝晶晶粒、蔷薇状晶粒和近球状晶粒的共存,这一结果与实验结果完全一致,这表明枝晶旋转是枝晶组织从树枝状转变为蔷薇状和近球状的关键因素。

关键词：元胞自动机初生铝异质形核半固态数值模拟

静电悬浮下铌异质形核及枝晶生长研究(英文)

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2023年

作者：王艳秋郑福陆潇晓孙志斌中国科学院国家空间科学中心中国科学院大学

本研究采用静电悬浮无容器实验技术，对纯度99.7%和99.95%的铌材料样品的深过冷程度和形核凝固机制进行了系统研究。通过经典形核理论分析测量和计算得到材料样品在形核凝固过程的热物理参数和热动力学参数。实验结果统计分析表明：铌... 详细信息

本研究采用静电悬浮无容器实验技术，对纯度99.7%和99.95%的铌材料样品的深过冷程度和形核凝固机制进行了系统研究。通过经典形核理论分析测量和计算得到材料样品在形核凝固过程的热物理参数和热动力学参数。实验结果统计分析表明：铌样品的实验最大过冷度为455.7K，临界过冷度约为739K。系统分析并计算得到铌样品最大概率形核过冷度，指前系数，成核活化能，固液界面自由能，关键晶核尺寸。样品的枝晶生长速度与过冷度呈幂函数关系，在过冷度454K处，枝晶生长速度达到约42.1m/s。通过考虑非等温条件下界面能的各向异性对自由枝晶生长的影响，本实验获得实验结果与理论预测结果一致。

关键词：液态铌异质形核枝晶生长形核凝固机制无容器静电悬浮

RE_2O_3对钢液凝固时异质形核促进效用的晶体学计算

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稀有金属材料与工程 2017年第10期46卷 2889-2894页

作者：计云萍亢磊宋艳青瞿伟任慧平内蒙古科技大学内蒙古包头014010 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室内蒙古包头014010

针对钢中添加稀土镧、铈形成的高熔点夹杂物相Ce_2O_3和La_2O_3,利用边-边匹配模型计算其与初生相(δ-Fe或γ-Fe)之间的原子匹配情况,从晶体学角度预测其作为钢液凝固时初生相异质形核核心的可能性及效用,并为理解稀土细化钢的凝固组织... 详细信息

针对钢中添加稀土镧、铈形成的高熔点夹杂物相Ce_2O_3和La_2O_3,利用边-边匹配模型计算其与初生相(δ-Fe或γ-Fe)之间的原子匹配情况,从晶体学角度预测其作为钢液凝固时初生相异质形核核心的可能性及效用,并为理解稀土细化钢的凝固组织的作用机理提供新的见解。结果表明,Ce_2O_3和La_2O_3均可作为初生相δ-Fe及γ-Fe异质形核的核心;Ce_2O_3和La_2O_3均可有效细化δ-Fe晶粒,但其细化γ-Fe晶粒的效果远不如其细化δ-Fe晶粒的效果;对于γ-Fe,La_2O_3的细化效果较Ce_2O_3稍好。

关键词： RE2O3 钢液异质形核晶体学边-边匹配模型

Mg-3Al合金中Mn对碳化铝异质形核的影响机制

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稀有金属材料与工程 2016年第3期45卷 644-649页

作者：詹美清李克王飞廖建南吴尚敏周耐根南昌大学江西南昌330031

采用光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱和差热分析研究了Mg-3Al合金中AlMn中间相的形貌特征,以及Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。结果表明:加碳变质处理产生的碳化铝可成为a-Mg的有效形核核心;当合金中的Mn含量小于0.32%(质量... 详细信息

采用光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱和差热分析研究了Mg-3Al合金中AlMn中间相的形貌特征,以及Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。结果表明:加碳变质处理产生的碳化铝可成为a-Mg的有效形核核心;当合金中的Mn含量小于0.32%(质量分数)时,加碳变质处理能使a-Mg晶粒明显细化,最小平均晶粒尺寸达到66μm,此时形成大量细小的球状和杆状Al Mn中间相,有助于晶粒细化;但当Mn含量增加到0.56%时,形成更多粗大的十字花瓣状AlMn中间相。过量的溶质Mn易与A1_4C_3粒子结合形成不利于形核的Al-Mn-C-O复杂化合物,并导致a-Mg晶粒粗化。

关键词：镁合金 Mn 碳化铝异质形核 AlMn中间相

Al-Si合金中α-Al依附于AlB_(2)异质形核的原子机制

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稀有金属材料与工程 2021年第6期50卷 1964-1970页

作者：苏光张爱民韦佳宏河南工学院材料科学与工程学院河南新乡453000 河南工学院电气工程学院河南新乡453000

利用固体与分子经验电子理论分别计算了α-Al,AlB_(2)与(Al-Si)B_(2)的价电子结构与结合能。结果表明,AlB_(2)最外层的Al-Al原子层相对不稳定,随着Al-Si熔体中Si含量的增加,α-Al和AlB_(2)的结合能均降低。根据计算结果,提出了Al-Si合... 详细信息

利用固体与分子经验电子理论分别计算了α-Al,AlB_(2)与(Al-Si)B_(2)的价电子结构与结合能。结果表明,AlB_(2)最外层的Al-Al原子层相对不稳定,随着Al-Si熔体中Si含量的增加,α-Al和AlB_(2)的结合能均降低。根据计算结果,提出了Al-Si合金中α-Al在AlB_(2)上异质形核的一种全新原子机制。加入Si后,一定量的Si原子进入AlB_(2),在AlB_(2)表面形成稳定的Al-Si二元原子结构层,提高了AlB_(2)表面的稳定性。这种稳定的二维Al-Si原子层在随后的异质形核过程中起着重要的过渡作用,是AlB_(2)成为α-Al有效异质核心的原子机制。

关键词： AlB_(2)晶体结构 Al-Si合金异质形核原子机制 EET电子理论