简论粘度铝中氢行为计算机模拟

摘要：氢在铝及其熔体中被认为是一种有害元素，由于氢的溶解度在熔体中和固体中有很大的差别，铝在凝固历程中会析出氢气导致组织中产生气孔并降低铸件的疲劳寿命。本论文通过计算机模拟技术对铝中氢的行为进行了全面的探讨，包含了氢作为气体杂质元素在金属铝中运动的全部历程。本论文基于铝熔体与氢的相互作用的几个历程的浅析，包括：熔体吸氢、氢在铝熔体中的扩散、熔体凝固历程中析氢以及氢气泡长大等历程。探讨了各个影响因素（时间、温度等）对熔体吸氢的作用，建立了相互作用的联系式，并探讨了氢阻R与氢扩散系数的联系，浅析了影响氢阻R的诸多因素。探讨结果表明，在恒温条件下，熔池析氢的速度只与其深度有关，熔池越深，析氢速度越慢。通过对整个凝固历程的浅析得出采取常规手段处理后的熔体在凝固历程中气体析出，形成气孔敏感性极大，而析出气体以非自发形核(异质形核)生成气泡。本论文通过实验检测，探讨铝熔体吸氢规律与熔体过热温度的联系。采取分子动力学模拟铝熔体相关结构性质，计算其粘度，并以在不同温度下的铝熔体的结构以及粘度等性质转变导致铝熔体吸氢变化等规律进行了探讨。发现铝熔体中氢含量和温度的联系和熔体粘度的变化相对应，都在计算得出的熔体结构突变的温度区间内产生异常。本论文认为铝熔体的原子排布规律对氢在其中的溶解产生了一定的影响，这个影响分为两个方面：第一，随着温度升高，熔体中铝原子与近邻原子间距变大，配位数减小，熔体内部自由体积增加，溶氢的能力增强，导致熔体氢含量的上升，然而部分温度的结构突变带来自由体积的突然变化，由此氢含量会产生波动；第二，原子热运动的增强导致原子间相互作用减弱，由此在一定温度范围内，粘度值随温度升高而逐渐降低，熔体粘度突变的温度点也反应了原子团簇内的原子排列方式发生了突然变化，附近亦有着吸氢的突变。铝熔体中氢含量的变化是熔体结构变化外在体现。采取以头算分子动力学策略，探讨熔体铝中杂质气体元素的有着形态及相互作用机制，揭示气体元素分布与扩散规律。通过实验证明了氯对铝熔体除气的增强效应，并通过模拟比较无氯和含氯铝熔体系统中氢原子的运动行为，阐明了活性气体在除气历程中的作用机理。采取以头算法以及以头算分子动力学策略探讨了氢在固体和熔体铝中的扩散行为。通过浅析氢在铝晶体中的能量状态以及扩散历程，以原子尺度解释了氢在固态铝中的驻点选取和铝晶体中结构缺陷的联系。通过对氢在铝熔体中的扩散以及氯对氢扩散影响的以头算分子动力学等探讨，解释了铝熔体除氢时氯气的作用。氢在铝熔体中的扩散受到铝和氯共同影响。在其扩散历程中，氯原子降低了周围氢原子的扩散激活能垒，使得铝原子与氢原子的碰撞几率减小导致铝原子对氢扩散的阻碍被降低。另一方面，考虑到现实情况下的熔感受氧化，由此本论文对含氧的系统也进行了浅析发现氯的加入显著转变了氧化物中氧的扩散活性，可以说在一定程度上破坏了氧化物的稳定性，以而提升了氢在熔体中的扩散能力。通过对氢在固体铝中的扩散路径以及空位对氢扩散影响的以头算法和以头算分子动力学等探讨，以动力学的角度描述了空位束缚效应如何具体影响氢原子在铝中的扩散。探讨结果表明，一般情况下，四面体间隙是氢在铝晶体中较为稳定的驻点。铝晶体有着空位时，由于氢的扩散受到空位束缚效应影响，任何远离空位方向的氢扩散都会遭遇较大的扩散能垒。当氢原子扩散远离空位后，空位束缚效应极大地减弱。空位积累的畸变能只能通过俘获附近的氢原子得到释放，远离空位的氢原子对其影响甚微。同时，动力学历程的浅析着重探讨了升温和氢扩散的联系，结果表明氢的扩散受到温度和空位浓度两个作用得共同耦合结果的影响。通过进一步计算得出空位周围的多面体间隙与氢扩散的联系。关键词：铝中氢论文粘度论文扩散论文分子动力学论文以头算法论文

摘要5-7

Abstract7-9

目录9-12

第1章 绪论12-40

1.1 引言12

1.2 金属中的气体概述12-14

1.2.1 金属中气孔定义和特点12

1.2.2 金属中气孔的来源和危害12-13

1.2.3 金属中气体的溶解度13-14

1.3 铝熔体除氢的论述基础14-19

1.3.1 铝熔体中氢的来源16-17

1.3.2 铝熔体中氢的溶解度17-18

1.3.3 氢在铝及铝合金中的扩散18-19

1.4 铝熔体除氢技术概述19-25

1.4.1 固体精炼剂19-21

1.4.2 气体精炼剂21-22

1.4.3 精炼设备进展概况22-24

1.4.4 测氢技术24-25

1.5 计算机模拟在材料科学中的运用25-34

1.5.1 分子动力学26-32

1.5.2 以头算法量子论述基础以及实现途径32-34

1.6 铝中氢的探讨概况以及本论文的探讨作用34-36

1.7 参考文献36-40

第2章 铝熔体吸氢、氢扩散及析出的宏观探讨40-54

2.1 引言40

2.2 铝熔体吸氢特性探讨40-43

2.2.1 实验策略40

2.2.2 熔体温度、静置时间对吸氢的影响40-43

2.3 氢扩散的普适性浅析43-46

2.4 熔体的析氢浅析46-48

2.5 熔体凝固历程中的析氢浅析48-50

2.6 析出氢气泡核的生长50-51

2.6.1 气泡形核论述50-51

2.7 本章小结51-52

2.8 参考文献52-54

第3章 铝熔体吸氢与熔体结构联系的分子动力学探讨54-72

3.1 引言54-55

3.2 熔体的计算机模拟55-61

3.2.1 EAM 势的运用56

3.2.2 周期性边界条件的运用56-57

3.2.3 初始系统的构建和原子初始速度分布57-59

3.2.4 系综的确定59-60

3.2.5 偶对分布函数60-61

3.2.6 热力学参数的表征61

3.3 实验与计算策略61-63

3.3.1 测氢实验61

3.3.2 分子动力学计算策略61-62

3.3.3 粘度的分子动力学计算策略62-63

3.4 结果浅析讨论63-68

3.5 本章小结68

3.6 参考文献68-72

第4章 氯在铝熔体除氢中作用的以头算分子动力学探讨72-92

4.1 引言72

4.2 氯的除气增强效应测试实验72-77

4.2.1 实验用除气设备72-76

4.2.2 首次实验的除气效果76-77

4.2.3 第二次实验的除气效果77

4.3 以头算起分子动力学建模和参数选取77-79

4.4 计算结果浅析与讨论79-90

4.4.1 结构特性浅析 (模型 A 和 B)79-81

4.4.2 扩散轨迹浅析81-84

4.4.3 扩散系数和扩散激活能84-90

4.5 本章小结90

4.6 参考文献90-92

第5章 氢在铝中的驻点选取倾向性探讨92-112

5.1 引言92-93

5.2 探讨策略93-95

5.3 结果浅析与讨论95-110

5.3.1 含氢铝晶体的形成能95-96

5.3.2 铝晶体的空位形成能以及空位束缚效应96-97

5.3.3 空位束缚效应对氢扩散的影响97-99

5.3.4 铝中氢原子的以头算分子动力学模拟探讨99-110

5.3.5 本章小结110

5.4 参考文献110-112

第6章 结论、革新点以及展望112-116

6.1 结论112-113

6.2 革新点113-114

6.3 展望114-116

致谢116-118

附录 A 分子动力学模拟原胞(500 铝原子)原子初始坐标和速度生成代码118-124

附录 B 分子动力学模拟原胞(500 铝原子)Sutton-Chen EAM 势函数运转代码124-134

附录 C 偶对分布函数代码134-138

附录 D 分子动力学粘度计算代码138-148

在学期间发表的学术论文148