利用嵌入式种子方法对液态铜中均匀Cu种子和异质Fe/Ni种子诱导的凝固过程进行分子动力学模拟

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Molecular Dynamics Simulation of Homogeneous Cu and Heterogeneous Fe/Ni Seed-Induced Solidification in Liquid Cu via Embedded Seed Method

纳米种子异质形核与生长规律研究

　　

摘要

在本文中，将均匀的FCC-Cu球形纳米种子、异质但同构的FCC-Ni纳米种子以及异质且异构的BCC-Fe纳米种子插入到母体Cu液体中，利用嵌入式种子方法的分子动力学模拟对均匀核化和异质核化及其后续生长过程进行了比较研究。热力学结果与Gibbs-Thomson理论一致，这从均匀核化的*-r*线性关系中可以得到证实；同时，异质核化的*-R*非线性关系在定性上也与Fletcher的理论相符。然而，Fletcher理论预测的有效半径范围被显著向下修正。我们甚至发现了一个“反Fletcher区域”，该区域违背了Fletcher的标准。对核化率的系统分析不仅清楚地解释了异质核化的*-R*曲线以及930 K时的自发核化现象起源于给定时空尺度下的最小核化率，还揭示了一个尚未被解释的现象：在反Fletcher区域内，随着异质种子半径的减小，临界核化率显著增加。同构的FCC-Cu和FCC-Ni体系表现出几乎相同的生长模式，其中嵌套的四面体层状（NTL）结构更为有利。相比之下，异质且异构的BCC-Fe种子显著促进了层状（LAM）生长，削弱了NTL的形成，并完全抑制了五重孪晶（FFT）现象。对独立自由晶粒生长的观察表明，微观生长速率的顺序为：\({\varpi }_{\text{Cu}} > {\varpi }_{\text{Ni}} > {\varpi }_{\text{Fe}}\)（适用于LAM和NTL两种模式），而对于FFT模式则呈现相反的趋势：\({\varpi }_{\text{Ni}} > {\varpi }_{\text{Cu}}\)。最后，种子与母体Cu之间的晶体失配程度越大，最终结构中六方密排（HCP）堆垛错位的比例就越低。