钢液－纳米夹杂界面能的尺寸依赖

随着钢液中纳米夹杂研究的深入发现，传统唯象的、基于连续介质假设和统计力学的界面热力学无法正确描述钢液－纳米夹杂界面能，因为传统理论忽略了纳米夹杂界面能与纳米颗粒"尺寸"的依赖关系。为此，本项目拟通过理论推导结合物理实验、光谱分析及计算机模拟，从微观到介观尺度考察钢液－纳米夹杂界面能对"尺寸"的依赖关系。首先从微观热力学和键强理论出发，推导新的尺寸依赖的界面能解析表达式。然后，通过熔炼＋酸溶＋SEM观察钢液中纳米夹杂的形态、表面状况及尺寸分布；通过量子力学计算和分子动力学模拟考察界面原子失配数、界面原子键能变化及曲率对界面能的影响；通过介观动力学模拟考察表面粗糙度对界面能的影响；通过块体和纳米粉体材料的表面和界面拉曼、布里渊散射谱及理论计算获得界面能与振动自由能、熵和焓的函数关系。在此基础上，给出解析式的所有参数值，构建相关夹杂界面能的完整解析模型，为钢液夹杂精细控制技术提供新的理论支撑。

本项目自2010年开始以来，分别在如下方面进行了相对系统的研究。.1).整理了前人相对完整的关于体材料和纳米材料金属凝固理论体系，包括描述结晶热力学的经典形核理论，描述结晶动力学的JMA理论，描述熔点与纳米尺寸关系的Pawlow理论，以及描述非平衡形核过程的Ostwald分步理论。.2).进行了纯铁液升降温过程（即凝固和熔化过程）的MD模拟。通过已建的长程F-S势函数对纯Fe升温过程微观结构及相关性质的模拟，实现从γ→δ→液态的连续升温相变的模拟，并且研究在升温过程中纯Fe的微观结构和宏观物性随温度的变化规律。.3).Fe纳米团簇的升降温过程的MD模拟。采用NVT系综，对Fe59~Fe9577系列原子团簇在不同变温速度情况下的凝固及熔化过程进行了细致的分子动力学模拟研究。研究发现，纳米颗粒的熔点Tm与尺寸间的关系非常吻合早期的Powlow理论，同时发现在快速凝固过程中，体系容易形成的两种典型结构分别是五种孪晶结构和层状孪晶结构，这两种结构均由fcc和hcp原子组成。.4).均质纳米团簇对纯铁液诱导凝固过程的MD模拟。实现了不同固态纳米Fe颗粒对纯Fe液的凝固过程的诱导作用的模拟研究，发现了起诱导作用的最小纳米颗粒尺寸，以及过冷度随固态纳米颗粒大小的一个线性关系。.5).异质纳米团簇对纯液体诱导凝固过程的MD模拟。构建了用于描述金属-氧化物体系的统一的FS可变静电势函数体系，并实现了不同尺寸的固态纳米Al2O3颗粒对纯Fe液的凝固过程的诱导作用的模拟研究，发现了起诱导作用的颗粒最小尺寸以及过冷度与颗粒尺寸之间的相依关系。.6).布里渊散射实验平台的建设及其对多晶、单晶等金属、非金属体系的检测分析及理论体系的构建。完成了一整套布里渊散射实验平台的建设，包括一台自行设计的可4维调节的样品台。实现了多晶和单晶，透明和不透明，金属和非金属等对比样品的测试分析及相应理论体系的构建，主要包括立方晶系的MgO、Al2O3，单晶Fe、Al，多晶Fe、Al、Cu，以及六角晶系的AlN。还包括不同热处理阶段的镁钕合金布里渊散射谱图，发现布里渊散射对不同热处理阶段的相组成非常敏感。.到目前获得的初步科研成果（标注）包括：专著1部，论文20篇，已发表和已接受的14篇，在投的2篇，正在准备的6篇，以发表和已接受的论文中，SCI收录10篇次，EI收录6篇次，培养博1名，硕士14名。