材料非晶晶化方法
分子动力学模拟Ti-Al合金非晶的形成与晶化
摘
要： 用分子动力学方法模 拟了 Ｔ一 合金 非晶的形 成与晶化 过程 ， ｉ 非晶合金采用从熔融态淬火 至室 温的方
法获得。通过对不 同冷却速率淬火过程的模拟 ， 了不 同合金成分 的非晶转变冷 速 ， 明 ４ －９ ％Ａ 的合金 得到 表 ０ ０ｔ ｌ ａ 非 晶形成能力强 ， 界冷却速率低。构型分析表 明 ： 晶合金主要 由二十面体团簇和初 晶团簇 构成 ， 晶退 火晶化 ｌ 临 非 非
收稿 日期 ：０ ６ｌ —５ ２ ｏ 一２２
成分 ／ ％Ａ ａ ｌ ｔ
＆
壹
褂 瑙 嚣 佥
图 １ 不同成分的 Ｔｉ 合金形成非 晶的临界冷速 一
图 ２是 Ｔｉ ５ｔ％ＡＩ ． ａ． ２ 系统不 同冷却 速率 下体 系 内能 随温度 的变化 曲线 。 由图可见 在高 的冷却 速率
的微观机理研究说 明晶化 的过程实际上是体系缺陷和二十面体团簇的数量降低 、 晶数量 和体积增大的过程。 初
关键词 ： 一 非晶合 金 ； Ｔｉ 分子动力学 ； 晶化 中圈分类号 ：ｒ ６ Ｃ７ ５ 文献标识码 ： Ａ
Ｔ． 合金是新型的高耐热轻质合金， ｉ 在技术和 理论上 引起 人 们 的兴 趣 ＿ ， 其 是 通 过 非 晶 相 的 ２ 尤 ｌ
Ｍ ａ ０ ７ ｙ２ ０
文章编号 ：６ ３１９ （ ０７ ０ —０ ６０ １ ７ —５ Ｘ ２ ０ ）３０ ０ —３
分 子 动 力学 模 拟 Ｔｉ 合 金 非 晶 的形成 与 晶化 — Ａｌ
刘 浏 ， 贾兴旺， 付 勇 ， 张勤勇 ， 明 曾
（ 华 大学 材 料 科 学 与 ５ 程 学 院 ， 川 成 都 ６ ０ ３ ） 西 １ ２ 四 １０ ９
维普资讯
第３ 期
非晶合金材料的制备方法及应用现状
非晶合金材料的制备方法及应用现状非晶合金材料是一种新型材料，其在物理、化学、力学性能方面都具有很高的优势，得到了众多领域的广泛使用。
非晶合金材料制备方法在非晶合金材料的制备方法中，有两种常见的方法：快速冷却法和球磨法。
其中，快速冷却法又称为“淬火制备法”，还可以分为单轴淬火和多轴淬火。
单轴淬火主要是指将母合金液体经过一定的方法，使其在几秒钟到几分钟内直接冷却到玻璃态，从而制成非晶合金。
而多轴淬火是指在母合金液体中注入惰性气体，然后通过高压喷射使液体产生类似渦流的剧烈运动，带来极高的淬火冷却速度。
快速冷却法的主要优点是制备出非晶化程度高、硬度大、耐腐蚀性能好的非晶合金材料。
而球磨法是指将母合金粉末置于球磨机中，不断地对其进行磨削、摩擦，从而使得母合金粉末在高能状态下产生类似于溶解的小区域，然后再使其迅速冷却，形成非晶合金。
球磨法制备非晶合金的优点是可以制备出成分复杂、具有大量均匀的局部成分非均匀性和微观结构非均匀性的材料。
非晶合金材料的应用现状非晶合金材料具有很高的声学和热学性能，因此在制造声音、传热和发电设备的过程中应用十分广泛。
例如，在印刷机、粘胶机、轧钢机等机械加工设备中，可以利用微米级的非晶合金带传感器探测轴承的温度和振动情况，避免机械故障，提高机械加工的质量和效率。
此外，非晶合金材料还广泛应用于制造电容器、电感器、电动机和电子器件等领域。
在电力传输领域中，使用非晶合金带替代传统的铜线，可使电力损耗减少40%以上；而在信息技术领域中，使用非晶合金带制造的磁性存储器比传统硬盘具有更大的存储容量和更高的读写速度。
此外，在汽车和工程机械等领域，非晶合金材料还可以用于增加机械零件表面的硬度和耐磨性，提高耐腐蚀性，从而提高整个机械的使用寿命。
总体来说，非晶合金材料的制备方法和应用领域十分广泛，一定程度上解决了传统合金材料在力学、耐腐蚀等方面的局限性。
然而，非晶合金材料目前仍面临着高成本、生产效率低等问题，需要进一步发展和探寻制备方法及应用领域，以推进其在多领域的更广泛应用。
非晶态合金材料的制备及应用
非晶态合金材料的制备及应用随着科技的不断发展，人们对材料的需求也越来越高，尤其是在新能源、高速交通、电子信息等领域，对材料性能的要求更是严苛。
非晶态合金材料作为一种新材料，其具有优异的物理性能、化学性能、机械性能以及独特的制备工艺，在现代工程领域得到了广泛的应用。
本文将深入探讨非晶态合金材料的制备及应用。
一、非晶态合金材料的概念非晶态合金材料（Amorphous metal）是指在快速冷却过程中自发形成无定形结晶状态（非晶态）的金属合金材料。
它是一种为获得非晶态而制备的合金材料，由于材料的玻璃状无定形结构，具有许多传统合金所不具备的优秀机械性能、防腐性能、磁性能等。
二、非晶态合金材料的制备方法目前，非晶态合金材料的制备方法主要有四种：快速凝固法、溅射法、电化学合成法和机械法。
1、快速凝固法快速凝固法是指将高温熔融状态的合金，以极快的速度（几千℃/s）冷却固化，使其形成非晶态的制备方法。
常用的快速凝固方法有液滴冷却法、快速旋转法、单辊震荡法、直流磁控溅射法等。
2、溅射法溅射法是指在真空或惰性气体氛围下，将靶材表面原子部分蒸发后沉积在基板上形成薄膜的制备方法。
溅射合金材料大多是非晶态的。
溅射法制备的非晶态合金材料具有制备工艺简单、制备速度快等优点。
3、电化学合成法电化学合成是将金属阳极和对应离子溶液中的阴极通过外电路连接在一起，在电解的过程中通过氧化还原反应，将阳极上的金属元素离子还原并沉积在阴极表面，形成非晶态合金薄膜的制备方法。
4、机械法机械法是指通过机械能量改变材料的结构形态，制备非晶态合金材料的制备方法。
机械法制备的非晶态合金材料具有制备易度高、无需真空高温、不易受到氧化损害等优点。
三、非晶态合金材料的应用领域1、新能源领域非晶态合金材料在新能源领域中具有广泛应用。
比如，用非晶态合金材料代替传统铜线制造变压器，能够大大提高能源利用率和变压器的性能；将非晶态合金材料与锂离子电池等新型蓄电池的电极材料组合在一起，能够大幅提升其能量密度和循环寿命等性能；非晶态合金材料也是太阳能电池制造材料的新方向。
Zr-Al-Ni-Cu系非晶合金微观结构及晶化行为的分子动力学模拟
Zr-Al-Ni-Cu系非晶合金微观结构及晶化行为的分子动力学模拟摘要非晶合金因其卓越的力学性能、高强度和良好的韧性而备受关注。
在这些合金中，Zr-Al-Ni-Cu合金具有很好的应用潜力。
为了深度了解Zr-Al-Ni-Cu合金的微观结构和晶化行为，本探究基于分子动力学方法进行了模拟。
1. 引言非晶合金是一类具有无序非晶态结构的合金，其在固态状态下具有高强度、良好的韧性和优异的耐腐蚀性能。
在近几十年的探究中，非晶合金已经广泛应用于磁性材料、电子器件和结构材料等领域。
2. 探究方法本探究使用分子动力学方法对Zr-Al-Ni-Cu合金的微观结构和晶化行为进行模拟。
起首，通过选择合适的势能模型，定义合金原子间互相作用。
然后，依据所选势能模型和初始条件，进行时间演化的模拟计算。
3. 模拟结果与分析通过模拟，我们探究了不同组成比例的Zr-Al-Ni-Cu合金的微观结构和晶化行为。
结果表明，在合适的组成范围内，Zr-Al-Ni-Cu合金可以形成非晶态结构。
同时，我们还观察到非晶合金在加热过程中会发生晶化现象。
通过分析晶化过程中的原子扩散和晶格结构的演化，我们发现晶化过程往往伴随着原子的扩散和晶格的重新排列。
4. 晶化行为的影响因素在探究中，我们着重探讨了晶化行为的影响因素。
起首，我们发现合金的成分对晶化行为有明显影响。
Zr-Al-Ni-Cu合金中Al和Ni含量的变化会改变合金的晶化温度和速率。
其次，晶化过程中的结构异质性也会影响晶化行为。
合金中存在的微观缺陷和晶界会催化晶化过程，加快晶化速率。
最后，外界温度和压力的变化也会对晶化行为产生影响。
随着温度的提高，合金的晶化速率加快；而提高压力则延缓晶化速率。
5. 应用前景和展望Zr-Al-Ni-Cu合金由于其优秀的力学性能和良好的韧性而具有宽广的应用前景。
对其微观结构和晶化行为的探究有助于深度了解这类非晶合金的材料特性，从而进一步优化合金设计和制备工艺。
将来的探究可以进一步探讨合金的晶化机制、晶体生长动力学以及晶化行为对材料性能的影响。
材料非晶晶化方法
按照晶化机制，非晶合金纳米晶化的方法主要有：热致晶化、电致晶化、机械晶化和高压晶化。
(1) 热致晶化
热致晶化包括通常采用的等温退火法和分步退火法。
等温退火法的处理过程是：快速加热使非晶样品达到预定温度，在该温度(低于常规的晶化温度)保温一定时间，然后冷却至室温，其中最关键的两个因素是退火温度和退火时间；分步退火法是在等温退火的基础上改进的一种方法，是指将非晶样品在较低温度下等温退火一定时间，然后再在较高温度下等温退火一定时间，控制好退火参数使得从非晶基体中析出尺寸在纳米范围内的晶体相。
(2)电致晶化
电致晶化包括闪光退火、焦耳加热和电脉冲退火三种方式。
闪光退火法是对非晶合金施加短时的强电流脉冲实现快速加热使之发生纳米晶化，这种方法可以明显减小成分对晶化后合金微结构的影响；焦耳加热法是指在非晶样品上施加较长时间的连续电流；电脉冲退火法是用高密度直流电脉冲对非晶合金进行处理使之发生纳米晶化。
(3)机械晶化
机械晶化法是利用高能球磨技术在干燥的球型装料机内，在Ar气保护下通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对非晶粉末反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使得非晶发生纳米晶化。
该方法适应面广、成本低、产量大、工艺简单。
存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。
(4)高压晶化
高压晶化包括激波诱导和高压退火两种方式。
激波诱导法是将样品置于激波管低压末端，当按一定比例配方的氢氧混合气体经点火爆炸后在低压腔内形成高温、高压、高能的激波对样品产生作用，在微秒量级的时间内，使非晶转变为晶化度很高的纳米晶态；高压退火法是指在高压下对非晶样品施加退火工艺。
非晶硅低温退火固相晶化的研究
非晶硅低温退火固相晶化的研究非晶硅低温退火固相晶化的研究引言：非晶硅是一种具有广泛应用前景的材料，它具有优异的光电特性和机械性能。
然而，由于其非晶结构的特点，非晶硅在一定温度下易于发生结构松弛和缺陷形成。
为了改善其性能，研究人员提出了低温退火固相晶化的方法。
本文将对非晶硅低温退火固相晶化的研究进行全面、详细地探讨。
一、非晶硅低温退火固相晶化原理1.1 非晶硅的结构特点非晶硅是由无定形的硅原子组成的材料，其结构没有规则的周期性。
这种无序结构导致了非晶硅在光电转换和导电性能方面表现出良好的特性。
1.2 低温退火固相晶化原理低温退火固相晶化是指通过在较低温度下加热非晶硅样品，使其发生结构重排和重新排列，从而形成具有有序周期性结构的多晶硅。
这种固相晶化的过程需要添加一定的催化剂，如金属铝或镍。
二、非晶硅低温退火固相晶化方法2.1 传统的低温退火固相晶化方法传统的低温退火固相晶化方法是将非晶硅样品与催化剂一起加热到较高温度，然后在恒定温度下保持一段时间。
通过这种方式，非晶硅样品中的结构重排和重新排列可以得到有效控制，从而形成有序周期性结构的多晶硅。
2.2 新型的低温退火固相晶化方法近年来，研究人员提出了一些新型的低温退火固相晶化方法。
利用激光或电子束辐照非晶硅样品，可以在较低温度下实现快速结构转变和固相晶化。
还有人尝试使用等离子体处理非晶硅样品，以促进其结构重排和重新排列。
三、非晶硅低温退火固相晶化条件优化3.1 温度优化在进行非晶硅低温退火固相晶化时，选择合适的退火温度是非常重要的。
过高的温度可能导致非晶硅样品过度结晶，而过低的温度则无法实现有效的结构转变。
需要通过实验确定最佳的退火温度。
3.2 时间优化除了温度外，退火时间也是影响非晶硅低温退火固相晶化效果的关键因素。
合理控制退火时间可以使非晶硅样品在较短时间内实现结构重排和重新排列，从而提高固相晶化效率。
四、非晶硅低温退火固相晶化后性能改善4.1 光电特性改善通过非晶硅低温退火固相晶化，可以显著改善其光电特性。
非晶晶化
2.1 晶化热力学条件
a G ca H m C p c dT TSm T T Tm Tm a C p c T
T
dT
与凝固过程不同，晶化过程中要考虑应变能。 2 临界形核半径： r
*
Gva c Gs
形核能垒：
G *
16 3(Gva c Gs ) 2
1.2 非晶晶化类型
⑴ 多晶型晶化：在晶化过程中只析出一种与非 晶基体成分完全相同的晶体相。 ⑵ 共晶型晶化：在晶化过程中，同时析出与非 晶基体不同的两晶体。两晶相共同生长，其总体成 分与非晶基体成分相同 ⑶ 初晶型晶化：在晶化过程中首先析出一种与 非晶基体不同的晶体，其成分有变化。
2 晶化驱动力
2.2 晶化动力学
晶化体积分数(JMA方程):
x(t ) 1 exp[ kT (t ) ]
n
k 其中 是孕育时间； T 是反应速率常数，反 映形核速率和晶体长大速率；n为Avrami指数， 反映晶化过程中形核与长大行为，通过n指数的 大小可以预测其转变方式。
kT k0 exp( Ec RT )
XC WC IC WA WC I C KI A
WC WA分别为样品中晶体与非晶的质量百分数。
I C I A分别为样品衍射谱中一定角度范围内结晶相
与非晶相的累积衍射强度。K可由实验测定常数K 代替。
'
K'
I C1 I C 2 I A 2 I A1
I C1 I A1 和 I C 2 I A2 分别
此时非晶态合金瞬间转变为晶态合金这一过程即为非晶合金晶化过程与结晶过程凝固既有共同点又有区别
非晶晶化
报告人：王艳
主要内容：
非晶合金的晶化机理分析
非晶合金的晶化机理分析1. 前言非晶合金是一种新型材料，因具有优良的磁、力学、腐蚀、耐磨、导热等性能，在电力、航空、航天、汽车、医疗等领域得到了广泛的应用。
但非晶合金由于其结构的特殊性质，相对于晶态合金来说更加容易发生晶化行为。
因此，对非晶合金晶化机理的研究具有重要意义。
2. 非晶合金的晶化非晶合金是由一种或几种金属元素与非金属元素在一定温度范围内经过快速冷却得到的无定形材料结构。
(Men '大羽弦小学子')晶化现象是指非晶态合金发生长程有序的过程，由于此过程与材料的性能和应用密切相关，因而引起了广泛的研究。
一般来说，非晶合金通过淬火、挤压、冷轧或退火等方式处理后，由于加工过程或外部温度的影响，存在着晶化倾向。
而非晶合金晶化时的机理包括初基元晶粒生成、晶粒长大和合并以及形成晶格序列等过程。
3. 非晶合金晶化机理分析3.1初基元晶粒生成在非晶合金的晶化过程中，初基元晶粒的生成是晶化机理的第一步。
初基元晶粒的生成主要取决于非晶合金材料内在复杂的局部势能坑与外界条件的复杂耦合关系。
在初基元晶粒生成的过程中，影响因素主要有:工艺状态、沉淀体、微缺陷、外加应力等。
3.2晶粒长大和合并在非晶合金的晶化过程中，晶粒的长大和合并是晶化机理的第二步。
非晶合金晶化时晶粒的尺寸和体积呈指数级增长，晶粒尺寸和晶粒间距逐步增大影响晶化时间和晶粒尺寸的增长速率。
而一旦晶粒的尺寸增加到一定大小，晶粒之间就会出现晶粒合并，从而导致晶粒的细粒化阶段结束。
3.3形成晶格序列在非晶合金晶化的第三个阶段，会形成晶格序列。
晶格序列在非晶合金晶化过程中会形成各种尺寸和形状的结晶体，这种结晶体通常存在于非晶合金的表面，晶化趋势强，而晶化峰桥形态多是由于给定的扰动引起的。
4. 结论非晶合金是一种具有特殊结构和特殊性能的新型材料，在现代产业中有着广泛的应用前景和市场价值。
在制备过程中，非晶合金往往伴随着晶化的现象，而晶化机理的研究正是对非晶合金制备过程中晶化现象的剖析和解释。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
按照晶化机制，非晶合金纳米晶化的方法主要有：热致晶化、电致晶化、机械晶化和高压晶化。
(1) 热致晶化
热致晶化包括通常采用的等温退火法和分步退火法。
等温退火法的处理过程是：快速加热使非晶样品达到预定温度，在该温度(低于常规的晶化温度)保温一定时间，然后冷却至室温，其中最关键的两个因素是退火温度和退火时间；分步退火法是在等温退火的基础上改进的一种方法，是指将非晶样品在较低温度下等温退火一定时间，然后再在较高温度下等温退火一定时间，控制好退火参数使得从非晶基体中析出尺寸在纳米范围内的晶体相。
(2)电致晶化
电致晶化包括闪光退火、焦耳加热和电脉冲退火三种方式。
闪光退火法是对非晶合金施加短时的强电流脉冲实现快速加热使之发生纳米晶化，这种方法可以明显减小成分对晶化后合金微结构的影响；焦耳加热法是指在非晶样品上施加较长时间的连续电流；电脉冲退火法是用高密度直流电脉冲对非晶合金进行处理使之发生纳米晶化。
(3)机械晶化
机械晶化法是利用高能球磨技术在干燥的球型装料机内，在Ar气保护下通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对非晶粉末反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使得非晶发生纳米晶化。
该方法适应面广、成本低、产量大、工艺简单。
存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。
(4)高压晶化
高压晶化包括激波诱导和高压退火两种方式。
激波诱导法是将样品置于激波管低压末端，当按一定比例配方的氢氧混合气体经点火爆炸后在低压腔内形成高温、高压、高能的激波对样品产生作用，在微秒量级的时间内，使非晶转变为晶化度很高的纳米晶态；高压退火法是指在高压下对非晶样品施加退火工艺。