Nghiên cứu sắt lỏng với sự trợ giúp của phương pháp khai khoáng dữ liệu

ĐẠI ĐẠIHỌC HỌCQUỐC QUỐCGIA GIAHÀ HÀNỘI NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰNHIÊN NHIÊN NGUYỄN NGUYỄNTHỊ THỊMINH MINH NGHIÊN NGHIÊNCỨU CỨUSẮT SẮTLỎNG LỎNGVỚI VỚISỰ SỰTRỢ TRỢGIÚP GIÚP CỦA CỦAPHƢƠNG PHƢƠNGPHÁP PHÁPKHAI KHAIKHOÁNG KHOÁNGDỮ DỮLIỆU LIỆU LUẬN LUẬNVĂN VĂNTHẠC THẠCSĨ SĨVẬT VẬTLÝ LÝ HÀ NỘI - 2015 HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU SẮT LỎNG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA PHƢƠNG PHÁP KHAI KHOÁNG DỮ LIỆU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý Toán Mã số : 60.44.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Phạm Khắc Hùng HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Phạm Khắc Hùng , TS Phạm Hữu Kiên, Người trực tiế p chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấ p tài liệu để Tôi hồn thành Luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tớ i Thầ y, Cô giáo giảng da ̣y lớp Cao học Vật lý khóa 2012 - 2014 phòng Sau Đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tâ ̣n tình chỉ bảo và giúp đỡ tìm kiến thức Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn c hân thành tới Thầ y , Cô giáo Bô ̣ môn Vâ ̣t lý tin ho ̣c Trường Đại học Bách khoa Hà Nô ̣i đã ta ̣o điề u kiê ̣n thuận lợi cho suố t quá triǹ h thực hiê ̣n Luâ ̣n văn Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Minh MỤC LỤC Danh mục ký hiệu chữ viết tắt i Danh mục hình vẽ đồ thị ii Danh mục bảng biểu iii MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Sắt 1.2 Mô kim loại sắt 1.3 Nghiên cứu kim loại phương pháp khai khoáng liệu 10 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Xây dựng mơ hình sắt phương pháp mô 20 2.2 Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, phân bố góc 26 2.3 Phương pháp phân tích đám mơ hình sắt 28 2.4 Phương pháp xác định mầm tinh thể 30 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mô hình động lực học phân tử sắt 33 3.2 Thăng giáng mật độ địa phương 43 3.3 Vi cấu trúc sắt 300 K 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TKHP Thống kê hồi phục HPBXT Hàm phân bố xuyên tâm TSCT Thừa số cấu trúc SPT Số phối trí VĐH Vô định hình TGMĐĐP Thăng giáng mật độ địa phương DCBPTB Đơn vị cấu trúc DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hệ số cấu trúc Ga lỏng nhiệt độ khác (công trình Hình 1.1 Carlson cộng sự, Phys Rev A9 1974): a) Trường hợp 323K, b) Trường hợp 333K Hình 1.2 HPBXT Fe lỏng VĐH (công trình T Ichikawa): Fe vô định hình (1), Fe lỏng nhiệt độ 1560K K-means tách liệu thành đa diện Voronoi, Hình 1.3 giả định đám có kích thước (khơng chồng lên 13 nhau) Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Ví dụ phân đám Expectation-Maximization với liệu phân bố Gauss Phân nhóm dựa mật độ với DBSCAN DBSCAN giả thiết đám có mật độ tương tự nhau, có khả tách đám lân cận 14 14 15 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp TKHP 22 Hình 2.2 Sơ đồ khối phương pháp ĐLHPT 23 Hình 2.3 Hình 2.4 Sơ đồ minh họa chiều (2 D) vị trí đỉnh HPBXT cấu trúc VĐH Mô tả ĐVCT-8,-9 nguyên tử không gian chiều 26 28 Mô tả (2-D) số loại ĐVCT: cầu mầu đen nguyên tử Hình 2.5 Fe, vòng tròn nét đứt mô tả tứ diện CST; mũi tên nhỏ hướng 29 dịch chuyển nguyên tử khuếch tán Hình vẽ minh họa cách xác định mầm tinh thể mẫu vật Hình 2.6 liệu: Quả cầu đen biểu diễn nguyên tử có SPT 14; Quả cầu mầu đỏ biểu diễn nguyên tử có lân cận 4; Quả cầu mầu xám biểu diễn nguyên tử có lân cận 31 Mô tả xếp nguyên tử Fe mô hình Fe Hình 3.1 không gian chiều 293,7 K (Hình A) 1554,4 K (Hình 34 B) Hình 3.2 HPBXT cặp kim loại Fe VĐH 35 Hình 3.3 HPBXT mẫu sắt lỏng liệu mô thực nghiệm 35 Hình 3.4 HPBXT mẫu sắt nhiệt độ 293 K; 826 K; 1554 K; 1823 K 2225 K Phân bố SPT mẫu sắt nhận nhiệt độ khác 36 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 293 K; 826 K; 1200 K 2225 K Phân bố bán kính ĐVCT nhiệt độ khác Phân bố khoảng cách hai biên ĐVCT nhiệt độ khác Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương nguyên tử khoảng nhiệt độ từ 293 K, 826 K Khoảng cách dịch DCBPTB nguyên tử khoảng nhiệt độ từ 1564 K đến K 2225 K Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương nguyên tử nhiệt độ 1200 K Phân bố TGMĐĐP loại khác Đồ thị thay đổi đáng kể hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH Sự phân bố TGMĐĐP loại khác Đồ thị thay đổi đáng kể hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH Sự phụ thuộc vào bướcn nhiệt độ từ 1564 K 2225 K Sự phụ thuộc vào bước n nhiệt độ 293 K 1200 K Sự phụ thuộc  theo nhiệt độ 39 40 42 45 45 46 46 47 49 49 51 Hình 3.16 Sự phụ thuộc ξ theo nhiệt độ 51 Hình 3.17 Phân bố số hạt nhảy vào thể tích V0 52 Hình 3.18 Phân bố TGMĐĐP thông qua số hạt 52 Năng lượng mẫu 300 K theo bước mô (Mức độ Hình 3.19 hồi phục): (1) điểm chuyển pha VĐH-tinh thể; (2) điểm 53 trình tinh thể hoàn thành HPBXT mẫu Fe 300 K: (A) HPBXT mẫu VĐH, (B) Hình 3.20 HPBXT mẫu giai đoạn tinh thể, (C) HPBXT mẫu tinh 55 thể Phân bố góc tứ diện mẫu 300 K mẫu Hình 3.21 tinh thể hoàn toàn (đen) mẫu tinh thể lý tưởng (đỏ) Phân bố góc cấu trúc BCC mẫu 300 K tinh Hình 3.22 Hình 3.23 thể hoàn toàn (đen) mẫu tinh thể lý tưởng (đỏ) Số nguyên tử tinh thể theo bước mô mẫu 300 K thời gian ủ nhiệt 56 57 Mô tả trình tinh thể hóa mẫu kim loại sắt 300 K theo Hình 3.24 56 58 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Khối lượng riêng số liệu hệ số cấu trúc a(K) số kim loại, K1 K2 vị trí đỉnh cao thứ thứ hai a(K) MỞ ĐẦU Lý chọn luận văn Mặc dù vật liệu kim loại (Fe, Ni Co) nhận quan tâm lớn nhà khoa học vật liệu, đến năm gần hiểu biết cấu trúc tính chất vật liệu mớiđược cải thiện đáng kể Bằng việc sử dụng phương pháp mơ máy tính, loạt công trình mô vi cấu trúc đặc trưng khuếch tán số vật liệu thực hiện Tuy nhiên nhiều vấn đề cấu trúc tính chất vật liệu kim loại cần mở rộng nghiên cứu Kết nghiên cứu cho thấy khuếch tán trạng thái lỏng, rắn khơng thể thực hiện khơng có thăng giáng mật độ Người ta giả thiết tốc độ thăng giáng lớn, thì hệ số khuếch tán lớn Vì tốc độ TGMĐĐP phải có ảnh hưởng khác đến trình động học hệ Do đó, nghiên cứu hệ thống phân bố khơng gian TGMĐĐP đưa cách nhìn rõ ràng chế khuếch tán vật liệu Hơn nữa, mối liên hệ TGMĐĐP với hệ số tương quan hệ số khuếch tán hiện có nhiều vấn đề cịn bỏ ngỏ Một chất lỏng thường tinh thể nhiệt độ nóng chảy, trừ làm mát chất lỏng thực hiện nhanh chóng đến mức bỏ qua tinh thể hóa chất lỏng chuyển sang pha thủy tinh Khi vật liệu vô định hình (VĐH) nhân giảm nhiệt nhanh chóng ủ nhiệt nhiệt độ nóng chảy, chúng trải qua biến đổi cấu trúc qua trạng thái rắn khác Có hai loại biến đổi: 1/ rổi phục mà vật liệu rắn VĐH, vài tính chất chúng thay đổi nhỏ theo thới gian; 2/ tinh thể hóa mà vật liệu chuyển sang trạng thái cân Sự hiểu biết chế vi mô thông qua biến đổi vấn đề quan trọng khoa học ứng dụng Vì hiểu biết chế biến đổi cần thiết cần mở rộng nghiên cứu Vì vậy, với mong muốn tìm hiểu, trang bị kiến thức bổ ích cấu trúc tính chất vật liệu kim loại lựa chọn đề tài luận văn: Nghiên cứu sắt lỏng với trợ giúp phương pháp khai khoáng liệu Mục tiêu luận văn Mục tiêu luận văn mô cấu trúc mẫu sắt nhiệt độ khác thông qua việc phân tích HPBXT, SPT phân bố TGMĐĐP Nghiên cứu thăng giáng mật độ mô hình theo nhiệt độ Nghiên cứu trình hình thành pha tinh thể kim loại Fe nhiệt độ 300 K Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn Luận văn sử dụng phương pháp mô ĐLHPT, trực quan hóa phương pháp phân tích vi cấu trúc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn Đối tượng nghiên cứu mẫu sắt dải nhiệt độ 300-2300 K Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề: i) Mô hình ĐLHPT sắt, phân tích đặc trưng vi cấu trúc truyền thống HPBXT, SPT, phân bố góc, đặc trưng ĐVCT (Simplexes); ii) Nghiên cứu TGMĐĐP mẫu theo nhiệt độ; iii) Nghiên cứu trình tinh thể kim loại Fe 300 K Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia thành chương: Chương giới thiệu tổng quan vật liệu kim loại Chương trình bày phương pháp mơ ĐLHPT; Kỹ thuật tính tốn đặc trưng cấu trúc như: HPBXT, SPT, phân bố góc, xác định ĐVCT, TGMĐĐP, cách xác định đơn vị tinh thể BCC Chương trình bày kết thảo luận cấu trúc sắt theo nhiệt độ, TGMĐĐP trình tinh thể sắt BCC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Phạm Hữu Kiên (2012), Mô chế khuếch tán “BUBBLES” vật liệu kim loại vơ định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [2] Võ Văn Hồng (2004), Mơ vật lý, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh [3] Phạm Khắc Hùng, Nguyễn Trọng Dũng, Lê Văn Vinh, Nguyễn Văn Hồng, Nguyễn Thu Nhàn, Kỹ thuật mô vật lý, NXB Đại học Sư phạm 2014 [4] Phạm Hữu Kiên (2012), Mô chế khuếch tán “BUBBLES” vật liệu kim loại vơ định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [5] Trương Thị Hồng Lê (2012), Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng tương quan lên hệ số khuếch tán nguyên tử kim loại hợp kim cấu trúc lập phương tâm diện, Luận văn Thạc sĩ Vật Lý, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, Hà Nội [6] Trịnh Văn Mừng (2012), Nghiên cứu chế khuếch tán xen kẽ vật liệu vơ định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [8] D.K.Belashchenko (1985), Structure of liquid and amorphous metals, Fiz.Met Metalloved 60, 1076 [9] D’Abramo M., D’Alessandro M., Nola A.D., Roccatano D., Amadei A (2005), Characterization of liquid behaviour by means of local density fluctuations, Journal of Molecular Liquids, 117, pp 17-21 [10] Hoang L.K et al (2001), Parallel simulation of microstructure of Fe liquid, Proceedings of Scientific Conference Hanoi University of Technology, 19, pp 72-78 [11] Hung P.K., Ha N.T.T., Hong N.V (2012), Correlation effect for dynamics in slica liquid, Physical Review E, 86, pp 041508 [12] Grandjean A., Limoge Y (1997), Diffusion study in NixZr1-x amorphous metallic, Acta Materialia, 45, pp 1585-1598 [13] Phạm Khắc Hùng, Nguyễn Trọng Dũng, Lê Văn Vinh, Nguyễn Văn Hồng, Nguyễn Thu Nhàn, Kĩ thuật mơ vật lí, NXB Đại học Sư phạm, 2014 [14] D K Belashchenko, V V Hoang and P K Hung (2000), “Computer simulation of local structure and magnetic properties of amorphous Co-B alloys”, Journal of Non-Crytalline Solids 276, 169-180 [15] Vo Van Hoang (2004), “Computer simulation of the effects of B and P concentrations on microstructure in amorphous Fe-B and Fe-P alloys”, Physica B 348, 347-352 [16] P K Hung, H V Hue, L T Vinh (2006), “Simulation study of pores and pore cluster in amorphous alloys Co100-xBx and Fe100-yPy”, Journal of NonCrystalline Solids 352, 3332-3338 [17] P K Hung, P N Nguyen, T V Mung (2010), “On the estimation of hydrogen diffusion parameters in amorphous and crystalline irons”, Journal of Non-Crystalline Solids 356, 1262-1266 [18] P K Hung, P N Nguyen and D K Belashchenko (1998), “Computer simulation of amorphous alloys Co100-xPx and Co81,5B18,5”, Izv, Akad, Nauk, SSSR, Metally 2, 118-121.’’ [19] P K Leung, J G Wright (1974), “Structural investigations of amorphous transition elenment films”, Philosophical Magazine 30 (1), 185-194 [20] D K Belashchenko, V V Hoang and P K Hung (2000), “Computer simulation of local structure and magnetic properties of amorphous Co-B alloys”, Journal of Non-Crytalline Solids 276, 169-180 [21] Vo Van Hoang (2004), “Computer simulation of the effects of B and P concentrations on microstructure in amorphous Fe-B and Fe-P alloys”, Physica B 348, 347-352 [22] F Machizaud, F A Kuhnast and J Flechon (1984), “Local chemical order and medium range order in amorphous metal-metalloid alloys”, Journal of Non-Crystalline Solids 68, 271-280 [23] Grandjean A., Limoge Y (1997), Diffusion study in NixZr1-x amorphous metallic, Acta Materialia, 45, pp 1585-1598 [24] Ichikawa T (1973), Electron diffraction study of the local atomic arrangement in amorphous Iron and Nickel films, Physica Status Solidi A, 19, 707-716 ... QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ MINH NGHIÊN CỨU SẮT LỎNG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA PHƢƠNG PHÁP KHAI KHOÁNG DỮ LIỆU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết Vật lý Toán Mã số : 60.44.01.03... văn: Nghiên cứu sắt lỏng với trợ giúp phương pháp khai khoáng liệu Mục tiêu luận văn Mục tiêu luận văn mô cấu trúc mẫu sắt nhiệt độ khác thơng qua việc phân tích HPBXT, SPT phân bố TGMĐĐP Nghiên. .. TỔNG QUAN 1.1 Sắt 1.2 Mô kim loại sắt 1.3 Nghiên cứu kim loại phương pháp khai khoáng liệu 10 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN 2.1 Xây dựng mô hình sắt phương pháp mô