鋁中氫行為的計算機模擬研究.pdf

1、氫在鋁及其熔體中被認(rèn)為是一種有害元素，由于氫的溶解度在熔體中和固體中有很大的差別，鋁在凝固過程中會析出氫氣導(dǎo)致組織中產(chǎn)生氣孔并降低鑄件的疲勞壽命。本文通過計算機模擬技術(shù)對鋁中氫的行為進行了全面的研究，包含了氫作為氣體雜質(zhì)元素在金屬鋁中運動的全部過程。
　　 本文基于鋁熔體與氫的相互作用的幾個過程的分析，包括:熔體吸氫、氫在鋁熔體中的擴散、熔體凝固過程中析氫以及氫氣泡長大等過程。探討了各個影響因素（時間、溫度等）對熔體吸氫的作用，

2、建立了相互作用的關(guān)系式，并研究了氫阻R與氫擴散系數(shù)的關(guān)系，分析了影響氫阻R的諸多因素。研究結(jié)果表明，在恒溫條件下，熔池析氫的速度只與其深度有關(guān)，熔池越深，析氫速度越慢。通過對整個凝固過程的分析得出采用常規(guī)手段處理后的熔體在凝固過程中氣體析出，形成氣孔敏感性極大，而析出氣體以非自發(fā)形核（異質(zhì)形核）生成氣泡。
　　 本文通過實驗檢測，研究鋁熔體吸氫規(guī)律與熔體過熱溫度的關(guān)系。采用分子動力學(xué)模擬鋁熔體相關(guān)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，計算其粘度，并從在不同

3、溫度下的鋁熔體的結(jié)構(gòu)以及粘度等性質(zhì)改變導(dǎo)致鋁熔體吸氫變化等規(guī)律進行了探索。發(fā)現(xiàn)鋁熔體中氫含量和溫度的關(guān)系和熔體粘度的變化相對應(yīng)，都在計算得出的熔體結(jié)構(gòu)突變的溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生異常。本文認(rèn)為鋁熔體的原子排布規(guī)律對氫在其中的溶解產(chǎn)生了一定的影響，這個影響分為兩個方面:第一，隨著溫度升高，熔體中鋁原子與近鄰原子間距變大，配位數(shù)減小，熔體內(nèi)部自由體積增加，溶氫的能力增強，導(dǎo)致熔體氫含量的上升，然而部分溫度的結(jié)構(gòu)突變帶來自由體積的突然變化，因此氫含量

4、會產(chǎn)生波動;第二，原子熱運動的增強導(dǎo)致原子間相互作用減弱，因此在一定溫度范圍內(nèi)，粘度值隨溫度升高而逐漸降低，熔體粘度突變的溫度點也反應(yīng)了原子團簇內(nèi)的原子排列方式發(fā)生了突然變化，附近亦存在吸氫的突變。鋁熔體中氫含量的變化是熔體結(jié)構(gòu)變化外在表現(xiàn)。
　　 采用從頭算分子動力學(xué)方法，研究熔體鋁中雜質(zhì)氣體元素的存在形態(tài)及相互作用機制，揭示氣體元素分布與擴散規(guī)律。通過實驗證明了氯對鋁熔體除氣的增強效應(yīng)，并通過模擬比較無氯和含氯鋁熔體體系中氫

5、原子的運動行為，闡明了活性氣體在除氣過程中的作用機理。采用從頭算法以及從頭算分子動力學(xué)方法研究了氫在固體和熔體鋁中的擴散行為。通過分析氫在鋁晶體中的能量狀態(tài)以及擴散過程，從原子尺度解釋了氫在固態(tài)鋁中的駐點選取和鋁晶體中結(jié)構(gòu)缺陷的關(guān)系。
　　 通過對氫在鋁熔體中的擴散以及氯對氫擴散影響的從頭算分子動力學(xué)等研究，解釋了鋁熔體除氫時氯氣的作用。氫在鋁熔體中的擴散受到鋁和氯共同影響。在其擴散過程中，氯原子降低了周圍氫原子的擴散激活能壘，

6、使得鋁原子與氫原子的碰撞幾率減小導(dǎo)致鋁原子對氫擴散的阻礙被降低。另一方面，考慮到現(xiàn)實情況下的熔體會氧化，因此本文對含氧的體系也進行了分析發(fā)現(xiàn)氯的加入明顯改變了氧化物中氧的擴散活性，可以說在一定程度上破壞了氧化物的穩(wěn)定性，從而提高了氫在熔體中的擴散能力。
　　 通過對氫在固體鋁中的擴散路徑以及空位對氫擴散影響的從頭算法和從頭算分子動力學(xué)等研究，從動力學(xué)的角度描述了空位束縛效應(yīng)如何具體影響氫原子在鋁中的擴散。研究結(jié)果表明，一般情況下

7、，四面體間隙是氫在鋁晶體中較為穩(wěn)定的駐點。鋁晶體存在空位時，由于氫的擴散受到空位束縛效應(yīng)影響，任何遠(yuǎn)離空位方向的氫擴散都會遭遇較大的擴散能壘。當(dāng)氫原子擴散遠(yuǎn)離空位后，空位束縛效應(yīng)極大地減弱?？瘴环e累的畸變能只能通過俘獲附近的氫原子得到釋放，遠(yuǎn)離空位的氫原子對其影響甚微。同時，動力學(xué)過程的分析著重研究了升溫和氫擴散的關(guān)系，結(jié)果表明氫的擴散受到溫度和空位濃度兩個作用得共同耦合結(jié)果的影響。通過進一步計算得出空位周圍的多面體間隙與氫擴散的關(guān)系。