铸造锌铝合金稀土变质机理的电子理论研究！

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1、第-#卷第%期#""$年%月物理学报?@2)-#，>@)%，4ABCADEAF，#""$!"""5$#%"9#""$9-（#"%）9##*,5",’6/’:;<4=6’4=>=6’"#""$6G07):GHI)4@J)###############################################################铸造锌铝合金稀土变质机理的电子理论研究!刘贵立李荣德（沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳!!""#$）（#""#年!!月!%日收到；#""#年!#月##日收到修改稿）根据分子动力学理论建立了液态锌铝合金&’#(的模型，结

2、合计算机编程构造出了&’#(合金!相与液相共存时的原子结构模型，利用递归方法计算了稀土固溶于晶粒内和富集于结晶前沿时的电子结构)由此得出：稀土处于相界区比在晶内更稳定，从而解释了稀土在!相内溶解度很小，结晶时富集于结晶前沿液体中的事实；稀土处于液态和晶态的结构能差相对于铝较大解释了稀土在相界前的富集使!晶枝产生熔断、游离、增殖的观点)原子间的键级积分计算也表明，稀土处于结晶前沿液体中与铝相比不容易结晶到晶体表面，起到阻碍晶粒长大，细化晶粒的作用，这就从电子层次解释了稀土的变质机理)关键词：电子结构，液固相界原子结构模型，稀土变质机理!"##：("""，*+,-

3、，+!,"$%&’模型建立!.引言分子动力学模拟可以提供深入直观的原子图［*，(］近年来，新型铸造锌铝合金由于其优越的机械像)为了研究稀土元素在锌铝合金凝固时的行性能、良好的铸造工艺性能及机加工性能在国内外为，本文用分子动力学方法模拟出了&’#(合金液［!］获得迅速发展)研究表明，添加晶粒细化剂（变质固共存时的原子结构模型)具体作法是：首先利用平剂）可进一步改善其塑性、韧性，扩大其应用范围)常移方法构造一面心立方纯铝晶体，共-""个原子，选［+］用的变质剂有/0，1复合盐，/0的中间合金或稀土)取温度为%""3，采用456势，进行,"""步弛豫，由/0，1的变

4、质机理主要是在凝固时它们能形成高熔双体分布函数可知已得到了液体’2的原子结构)然点的硬相（/0’2，’21，/01等），作为!相的非自发后按&’#(中’2，&7的原子比例，将相应的’2换为$##核心细化了!相［#］)有关稀土的变质机理有两种观&7，便得到了液态锌铝合金的原子结构模型)第二步，通过计算机编程将液态锌铝合金原子团中心点，一种认为与盐类变质剂一样起异质晶核的作［$］$$$用；另一种认为稀土在初生相!的溶解度很低，凝8!8""，8#8""，8$8""（"为’2的晶格###固时稀土在结晶前沿造成极大的溶质富集，促使枝常数）区域内的原子去掉)第三步，利用周

5、期性构造晶形成缩颈，这样就有利于枝晶熔断，游离，并使晶一晶态的!相，’!，&7原子比例与&’#(合金!相中［,］粒增殖)以上均是从实验上对稀土元素变质机理的一致（大约为$比!）)第四步，将以上构造出的液进行的探讨，不能反映其本质)本文构造出锌铝合金态和固态!相的原子坐标写到一起，便得到了&’#(凝固时液固相共存时的原子结构模型，利用递归方合金凝固过程中液固共存时的原子结构模型)图!［-］法，讨论稀土在凝固过程中的行为，以期从电子层"为整个原子团中，8!8"薄片沿!方向的投影)计次研究稀土在锌铝合金中的变质机理)#算总能时，对于晶态，取!相中心晶胞（,个原子）进

6、#.模型与理论方法行计算，对于相界区域，取!相表面一原子，以其为中心选一球内的原子进行计算，在考虑稀土元素的!教育部高等学校优秀教师资助计划（批准号：""#(!!%）资助的课题)-期刘贵立等：铸造锌铝合金稀土变质机理的电子理论研究%%B,"作用时，将晶粒芯部一原子和相界区一液体原子由F/!稀土原子代替，见图!"&#’，#H’H.$/（"）12!#’，#H（’H"）C"，（,）/G格林函数的非对角矩阵元可以表示为格林函数对角矩阵元的线性组合!!#’，#H（’H"）.D（!#’I#H’H/!#’/#H’H）"（B）这里!可以用递归方法计算出来，初态选为#’J#H’

7、H%0〉.#’J#H’H〉"其中费米能级由下式给出："F)’.#$(#（’"）C"，（&）#’/G)’为结构中所有原子在孤立状态时的总价电子数"结构能和键级积分在讨论原子的键合性质及相稳定图!#$%&合金结晶过程中!晶粒与液相界面区的原子结构模性时是非常有用的"型!$’或#(，")*或+AK结果与分析!"!"理论方法［,］本文应用的是递归方法，它不同于其他的电［-］#"$%环境敏感镶嵌能子结构计算方法，其基本思想是根据紧束缚近似建立哈密顿矩阵，然后把系统的哈密顿矩阵做一次为了讨论#$%&合金中稀土的变质机理，我们幺正变换，变换后的哈密顿矩阵是三对角化的"由此计

8、算了稀土元素在晶粒内和!相与液体的相界