APL—赵九州小组—合金凝固的微观过程

中科院金属所研究员赵九州领导的课题组在国家自然科学基金重大项目的资助下，从原子尺度出发，采用分子动力学方法开展工作，探索了合金凝固的微观过程，取得了一些创新性成果，成果陆续发表在Applied Physics Letters, Material Science and Engineering A，Intermetallic 和Computational Material Science等杂志上。

该课题组研究了深过冷条件下金属及合金的凝固过程，展现了合金形核的微观细节，发现在形核初期，体系中存在大量不稳定晶胚，它们通过结构起伏和成份选择，最终形成稳定的临界晶核，晶核成份与合金原始成分近似，见图1、图2。与早期报道的基于硬球模型的研究结果不同，本研究表明，稳定的FCC结构原子早在晶胚出现前就已存在，并非由亚稳的BCC结构原子转变而来。这些原子呈片层状分布，与少量HCP结构原子相互混合，共同构成临界核。临界核尺寸随过冷度的增加而减小。正二十面体非晶团簇结构在过冷液态体系中大量存在，但它不参与形核过程，在晶核形成前完全消失，见图3。

研究人员考察了合金非晶形成能力与形核热力学及动力学之间的关系。研究表明具有较高非晶形成能力的合金晶体形核驱动力较小，其过冷熔体的热力学稳定性较高，组元原子扩散重排较困难。用分子动力学模拟法构建了过冷合金体系液-固转变的时间－温度－转变曲线，并用其预测了非晶形成的临界冷却速度，见图4。

该课题组还模拟研究了非晶合金的三维结构。结果表明，非晶可看作由多数正二十面体团簇及部分缺陷二十面体团簇交互作用而形成的网状结构。相对于正二十面体，缺陷二十面体团簇稳定性较差。各二十面体团簇在非晶体系中所占的比例与其所含五次对称结构(1551键对)的数目有关，含五次对称结构多的团簇所占比例较高。为了降低体系的自由能，在所有原子团簇中，较大原子均优先占据顶点位置，而小原子则倾向于占据团簇中心较大的空隙位置。

研究人员用分子动力学方法预测了液态金属Cu均质形核的临界尺寸大小，结合经典形核理论，计算了不同过冷度下体系固液界面能、形核自由能壁垒等热力学参数。计算结果与实验值吻合较好，弥补了深过冷条件下实验测定热力学参数困难的不足。

图1 700K时Ni6Cu4合金临界晶核的形成过程。
图中白色原子为不稳定原子，可随时离开原子团簇，黑色原子为稳定原子。t为驰豫时间。

图2 Ni6Cu4合金在不同温度保温时，熔体内原子团簇演变为临界晶核过程中
团簇内部Cu、Ni原子成份比随时间的变化关系。图中箭头所指时间为临界晶核形成时间。

图3 体系中晶体团簇（空心圆）、非晶团簇（三角）数目及最大晶体团簇所含原子数（实心圆）随时间变化关系。t1为晶胚初现时间，t2为临界晶核形成时间，t3为体系晶化结束时间。

图4 Ni6Cu4合金液-固转变的时间－温度－转变曲线图