突变点及与熔体微观结构的关系

∞．ｅ乱Ｅ占Ｉｓｏ∞５
图４随温度降低Ａｌ熔体粘度的变化 Ｆｉｇ．４ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ１ ｍｅｌｔ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ
ｃｏｏｌｉｎｇ
度的数值比升温过程中的粘度值低，而且，相对于升温过 程，降温时的粘度突变点出现滞后现象． ３实验结果分析
图５是分子动力学模拟得出的不同温度下Ａｌ的双体 分布函数曲线．从图５可以看出，Ａｌ熔体的双体分布函 数随温度升高发生明显的变化，双体分布函数曲线第一峰 的高度逐渐变低，表明Ａｌ原子的第一配位层的配位原子 数逐渐减少，相关半径减小，表明原子团簇的直径变小．而 且第一峰的宽度变宽，表明液态原子团中的原子排布逐渐 趋向离散．由于双体分布函数只能反映液态结构的概率分 布，为了更清楚地得到Ａｌ熔体中原子排列情况的信息， 进一步运用分子动力学模拟的方法，计算了Ａｌ熔体的键 长的分布．在０—０．４ ｎｍ的范围内，Ａｌ熔体的键长分布 如图６和７所示．由图６可以看出，随着温度的升高， 熔体的原子键长分布也发生变化．这说明，即使同样大小 的原子团簇，其原子的排列方式也可能有所不同，熔体中 不同大小的原子团的分布概率也不相同．
反射后，每次摆动都经过Ａ和Ｂ两探头． Ａ和Ｂ两探
头由光敏元件组成．通过测定激光束经过Ａ和Ｂ的时间
间隔，来测定振动的对数衰减率．振动衰减率与运动粘度
∥＝、１２（丽５－蕊Ｔ阿Ｓｏ／Ｔｏ）２ 的关系由Ｓｃｈｖｉｄｋｏｖｓｋｉｉ公式【１４】给出 ∥２、丽磊≯而ｒ
（【１）Ｊ
其中
‘Ｗ １－善Ａ一詈Ａ２－ａ＋（ｈ△）筹（２）
ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｔｏｍｓ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ａｔ ａｂｏｕｔ ７８０ ａｎｄ ９５０℃．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ
ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ Ａ１ ｍｅｌｔ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
作用在原子ｉ上的合力只＝一Ａ及，Ａ为Ｌａｐｌａｃｅ算 符．有关ＴＢ势的确定参见文献『１３］．
本文对一个施加周期性边界条件的立方盒中的５００ 个Ａｌ原子的液态系统在冷速为３×１０１ｎ Ｋ／ｓ的凝固过程 进行模拟研究，时间步长取为５ ｆｓ，小于原子的振动周期， 采用衰减力法降低温度．首先在２０００ Ｋ下运行３×１０４个 时间步长，得到平衡液态，然后在该温度下以３ ｘ １０１２ Ｋ／ｓ 冷速冷至３００ Ｋ，在快速冷却时每隔一定的时间步长进行 构型记录，每一构型运行６００步，取２０个构型的平均来 确定体系的结构．
铁架上，以减少外界振动对测量的影响．
Ｃｌｓｃｉｌｌａｔｏｒ
Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｗｉｒｅ
Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃｕｐ Ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ
图１粘度仪主体不恿图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｍａｉｎ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ
式中， ∥表示运动粘度， Ｍ表示液体试样的质量， ， 表示转动惯量， Ｒ表示坩埚半径， 日表示坩埚高度， ａ，ｂ和Ｃ为系统参数，６与６０分别表示装入Ａ１熔体坩 埚与空坩埚的对数衰减率， Ｔ与％分别表示空坩埚的 对数衰减周期，礼表示水平接触面的数目（当液体只接触 底面而不与上顶面接触时ｎ＝１；液体完全被封闭与上 下两个面都接触时ｎ＝２）．由运动粘度与动力粘度的关 系弘＝Ｐ·∥可求出动力粘度，Ｐ为Ａ１熔体密度．
原理是测定试样的振动衰减率，根据振动衰减率与粘度的
关系式，计算出熔体粘度．高温熔体粘度测量仪由以下三
部分构成：
（１）粘度仪主体，主要由振动系统、真空容器、坩埚、
加热系统等所组成；
、
（２）光学测定系统，用来测定振动周期以及振动的对
数衰减率；
（３）真空排气系统，由回转泵与油扩散泵组成．
粘度仪主体部分构造如图１所示，主体部分固定在
Ａｌ熔体粘度的测试结果差别也很大，文献［２—４】的 Ａ１粘度虽然都具有平滑的指数关系，但是，不论是绝对值 水平，还是温度系数，均差别很大．在第一类资料中，对 于粘度跃变的温度，也是各不相同，文献【５】认为在７６５ 和８７５℃，文献【６】认为在６７０和７５０℃，文献［７］认为 在７７５和８５５℃，文献［８】认为在７２０和７６０℃．由于
ＳＵＮ Ｍｉｎｈｕａ，ＧＥＮＧ Ｈａｏｒａｎ，ＢＩＡＮ Ｘｉｕｆａｎｇ，ＬＩＵ Ｙａｈ
Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎａｎ ２５００６１
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＳＵＮ Ｍｉｎｈｕａ，Ｔｅｌ：（０５３１）２９５５０８１—２３１９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｍｈｕａ＠ｄｍｓ．ｓｄｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＷｏＲＤＳ ＫＥＹ
ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ， １ｉｑｕｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ
ａｌｕｍｉｎｕｍ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ
ＣＯｎｔｅｎｔ，
对于Ａ１熔体粘度随温度的变化，根据Ａ１熔体是否 发生粘度突变，国外的资料基本上可分为两类：第一类认 为在粘度一温度曲线上出现了不连续变化，即存在着一 些反常现象【１ Ｊ；第二类认为粘度一温度曲线是平坦光滑 的，熔体粘度随温度的变化符合指数关系［２－－４Ｊ．
第３６卷第１１期 ２ ０ ０ ０年１１月
金扁学玫
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３６ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２ ０ ０ ０
Ａｌ熔体粘度的突变点及与熔体微观结构的关系
孙民华 耿浩然 边秀房 刘燕
（山东工业大学材料科学与工程学院，济南２５００６１）
摘 要 通过测量Ａｌ熔体的粘度，研究了Ａｌ熔体粘度随温度的变化规律，发现在升温过程中熔体粘度值在７８０和９５０℃左
ａｂｎｏｒｍａｌｌｙ ａｔ ａｂｏｕｔ ７８０ ａｎｄ ９５０℃ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｔ ａｂｏｕｔ ９３０ ａｎｄ ７５０℃ｄｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ａｌ ｍｅｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ
综上所述，在国内外对Ａ１熔体粘度随温度的变化， 还没有公认的较为精确的变化曲线．对熔体粘度与液态结 构之间的关系，尚不够清楚．本文结合氢含量的测定和分
子动力学模拟方法，对Ａｌ熔体结构与粘度的相关性进行 研究．从Ａ１的液态结构变化方面探索了熔体粘度变化的 原因．
１粘度测试设备及原理
粘度测试设备为回转振动式高温熔体粘度测量仪．其
ｃｏｎｔｅｎｔ ａｌｓｏ ｃｈａｎｇｅｓ ａｂｎｏｒｍａｌｌｙ ａｔ ａｂｏｕｔ ７８０℃ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ １ｉｑｕｉｄ Ａ１．ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｎｅａｒｅｓｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ
分子动力学模拟：分子动力学模拟所采用的势能函数 为紧束缚势（ＴＢ）【１３Ｊ．根据ＴＢ模型，在体系中单个原子 的能量分两部分，一部分为吸引势，即
对数衰减率的测定是通过光学测定系统来进行的，其
原理如图２所示．激光发生器发出激光，投射到粘度仪悬
丝上的反射镜上，振动系统给坩埚一个转动冲量，使坩埚
开始自由摆动，反射镜与坩埚同步摆动，激光束经反射镜
右发生突变．在降温过程中，粘度的突变发生在９３０与７５０℃． Ａｌ熔体氢含量的测定表明，氢含量随温度变化曲线也在７８０℃
发生突变．通过对液态Ａｌ的分子动力学模拟，发现Ａｌ的第一近邻配位原子的排布方式随温度的变化在７８０℃左右与９５０℃左
右也存在突变．探索了Ａｌ熔体液态微观结构与熔体粘度的内在联系．
关键词 粘度，液态结构，分子动力学模拟，氢含量， Ａｌ
中图法分类号ＴＧｌｌｌ．４，ＴＧｌ４６．２１
文献标识码Ａ 文章编号０４１２－１９６１（２０００）１１－１１３４－０５
ＡＢＮｏＲＭＡＬ ＣＨＡＮＧＥＳ ＩＮ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＶＩＳ Ｃ ｏＳＩＴＹ
ＡＮＤ ＩＴＳ ＲＥＬＡＴＩｏＮＳＨＩＰ ＷＩＴＨ ＴＨＥ
、
ＭＩＣＲｏＳＴＲ，ＵＣＴＵＲＥ ＯＦ ＭＥＬｒＩ’Ｓ
２粘度实验结果
图３为升温过程中Ａｌ熔体粘度的变化．结果显示， 总的趋势是Ａｌ熔体中粘度随温度升高而降低，但并不是 光滑的对数曲线关系，粘度温度曲线在７８０℃左右发生 转折，粘度值突然升高．到９５０℃粘度曲线再一次发生转 折，Ａｌ熔体的粘度值再一次突然升高，然后随温度升高
而逐渐下降．整个Ａｌ熔体粘度随温度升高的升温变化曲 线分为三段．
（Ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ）
图２光学系统原理图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ
本文用纯度为９９．９９９％的高纯Ａｌ为实验材料，粘度 测定在真空状态下进行的．真空测量较之惰性气体保护， 优点是可以排除惰性气体对金属熔体粘度的影响．试样坩 埚采用Ａ１２０３制成，实验表明，Ａ１２０３坩埚与Ａ１熔体 在１１００℃时发生强烈润湿反应，而在１１００℃以下，Ａｌ 熔体与Ａ１２０３坩埚不润湿．测量时，将试样置于Ａ１２０３ 容器中，抽真空至２ Ｐａ，然后将试样按照３℃／ｍｉｎ的速 度加热至所设的实验温度，保持１ ｈ后，进行粘度值的测 试．当温度达到最高实验温度后再进行熔体降温实验．每 一温度点重复测试４—７次，取其平均值．
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０００—０４－１４，ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２０００－０８—０７
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｂｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ Ａｌ ｍｅｌｔ．ｉｔ Ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ Ａ１ ｍｅｌｔ ｃｈａｎｇｅｓ