Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu sắt lỏng với sự trợ giúp của phương pháp khai khoáng dữ liệu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là mô phỏng cấu trúc mẫu sắt ở các nhiệt độ khác nhau thông qua việc phân tích HPBXT, SPT và phân bố sự TGMĐĐP. Nghiên cứu sự thăng giáng mật độ trong các mô hình theo nhiệt độ. Nghiên cứu quá trình hình thành pha tinh thể của kim loại Fe ở nhiệt độ 300K.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu sắt lỏng với sự trợ giúp của phương pháp khai khoáng dữ liệu

ĐẠI ĐẠIHỌC HỌCQUỐC QUỐCGIA GIAHÀ HÀNỘI NỘI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰNHIÊN ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGUYỄNTHỊ THỊMINH MINH NGHIÊN NGHIÊNCỨU CỨUSẮT SẮTLỎNG LỎNGVỚI VỚISỰ SỰTRỢ TRỢGIÚP GIÚP CỦA CỦAPHƢƠNG PHƢƠNGPHÁP PHÁPKHAI KHAIKHOÁNG KHOÁNGDỮDỮLIỆU 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 và 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 Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS .TSKH Phạm Khắc Hùng , TS Phạm Hữu Kiên, là những Người trực tiế p chỉ bảo, hướng dẫn và cung cấ p tài liệu để Tôi có thể hoàn thành Luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tớ i Thầ y, Cô giáo giảng da ̣y lớp Cao học Vật lý khóa 2012 - 2014 và 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 tôi đi tìm kiến thức. Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn c hân thành tới các Thầ y , Cô giáo Bô ̣ môn Vâ ̣t lý và tin ho ̣c Trường Đại học Bách khoa Hà Nô ̣i đã ta ̣o điề u kiê ̣n thuận lợi cho chúng tôi trong suố t quá triǹ h tôi thực hiê ̣n Luâ ̣n văn này. Hà Nội, ngày 9 tháng 3 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Minh
MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................. i Danh mục các hình vẽ và đồ thị ......................................................................... ii Danh mục các bảng biểu ................................................................................... iii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Sắt .. ............................................................................................................. 3 1.2. Mô phỏng về kim loại sắt ........................................................................... 6 1.3. Nghiên cứu kim loại bằng phương pháp khai khoáng dữ liệu .................. 10 Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.1. Xây dựng mô hình sắt bằng phương pháp mô phỏng .............................. 20 2.2. Hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí, phân bố góc ................................... 26 2.3. Phương pháp phân tích đám trong mô hình sắt ........................................ 28 2.4. Phương pháp xác định mầm tinh thể......................................................... 30 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Mô hình động lực học phân tử đối với sắt ................................................ 33 3.2. Thăng giáng mật độ địa phương ............................................................... 43 3.3. Vi cấu trúc của sắt ở 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 của Ga lỏng ở nhiệt độ khác nhau (công trình Hình 1.1. của Carlson và cộng sự, Phys. Rev. A9. 1974): a) Trường 4 hợp 323K, b) Trường hợp 333K. HPBXT của Fe lỏng và VĐH (công trình của T. Ichikawa): Hình 1.2. 5 Fe vô định hình (1), Fe lỏng ở nhiệt độ 1560K. K-means tách dữ liệu thành các đa diện Voronoi, trong đó Hình 1.3. giả định các đám có kích thước như nhau (không chồng lên 13 nhau). Ví dụ về phân đám Expectation-Maximization với dữ liệu Hình 1.4. 14 phân bố Gauss. Hình 1.5. Phân nhóm dựa trên mật độ với DBSCAN 14 DBSCAN giả thiết các đám có mật độ tương tự nhau, và có Hình 1.6. 15 khả năng tách các đám lân cận. Hình 2.1. Sơ đồ khối phương pháp TKHP. 22 Hình 2.2. Sơ đồ khối phương pháp ĐLHPT. 23 Sơ đồ minh họa 2 chiều (2 D) vị trí các đỉnh của HPBXT đối Hình 2.3. 26 với cấu trúc VĐH. Hình 2.4. Mô tả ĐVCT-8,-9 nguyên tử trong không gian 3 chiều. 28 Mô tả (2-D) một số loại ĐVCT: quả cầu mầu đen là nguyên tử Hình 2.5. Fe, vòng tròn nét đứt mô tả tứ diện CST; mũi tên nhỏ chỉ hướng 29 dịch chuyển của nguyên tử khuếch tán. Hình vẽ minh họa cách xác định mầm tinh thể trong mẫu vật liệu: Quả cầu đen biểu diễn nguyên tử có SPT 14; Quả cầu mầu Hình 2.6. 31 đỏ biểu diễn các nguyên tử có lân cận 4; Quả cầu mầu xám biểu diễn các nguyên tử có lân cận 6.
Mô tả sự sắp xếp các nguyên tử Fe trong mô hình Fe trong Hình 3.1. không gian 3 chiều ở 293,7 K (Hình A) và 1554,4 K (Hình 34 B). Hình 3.2. HPBXT cặp của kim loại Fe VĐH. 35 Hình 3.3. HPBXT của mẫu sắt lỏng dữ liệu mô phỏng và thực nghiệm 35 Hình 3.4. HPBXT của mẫu sắt ở các nhiệt độ 293 K; 826 K; 1554 K; 36 1823 K và 2225 K. Phân bố SPT của các mẫu sắt nhận được ở các nhiệt độ khác Hình 3.5. 39 nhau 293 K; 826 K; 1200 K và 2225 K. Hình 3.6. Phân bố bán kính của các ĐVCT ở các nhiệt độ khác nhau. 40 Phân bố khoảng cách giữa hai biên của các ĐVCT ở các Hình 3.7. 42 nhiệt độ khác nhau. Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương của Hình 3.8. 45 nguyên tử trong khoảng nhiệt độ từ 293 K, 826 K. Khoảng cách dịch DCBPTB của nguyên tử trong khoảng Hình 3.9. 45 nhiệt độ từ 1564 K đến K 2225 K. Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương của Hình 3.10. 46 nguyên tử ở nhiệt độ 1200 K. Phân bố của TGMĐĐP loại khác nhau. Đồ thị thay đổi đáng Hình 3.11. 46 kể khi hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH. Sự phân bố của TGMĐĐP loại khác nhau. Đồ thị thay đổi Hình 3.12. 47 đáng kể khi hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH. Sự phụ thuộc của vào bướcn ở nhiệt độ từ 1564 K - Hình 3.13. 49 2225 K. Sự phụ thuộc của vào bước n ở nhiệt độ 293 K - Hình 3.14. 49 1200 K. Hình 3.15. Sự phụ thuộc  theo nhiệt độ. 51
Hình 3.16. Sự phụ thuộc ξ theo nhiệt độ. 51 Hình 3.17 Phân bố của số hạt nhảy vào thể tích V0. 52 Hình 3.18 Phân bố TGMĐĐP thông qua số hạt. 52 Năng lượng của mẫu 300 K theo bước mô phỏng (Mức độ Hình 3.19 hồi phục): (1) là điểm chuyển pha VĐH-tinh thể; (2) là điểm 53 quá trình tinh thể hoàn thành. HPBXT của mẫu Fe 300 K: (A) HPBXT mẫu VĐH, (B) Hình 3.20 HPBXT mẫu trong giai đoạn tinh thể, (C) HPBXT mẫu tinh 55 thể. Phân bố góc trong một tứ diện của mẫu 300 K khi mẫu đã Hình 3.21 56 tinh thể hoàn toàn (đen) và mẫu tinh thể lý tưởng (đỏ). Phân bố góc trong cấu trúc BCC của mẫu 300 K khi đã tinh Hình 3.22 56 thể hoàn toàn (đen) và mẫu tinh thể lý tưởng (đỏ). Hình 3.23 Số nguyên tử tinh thể theo bước mô phỏng của mẫu 300 K. 57 Mô tả quá trình tinh thể hóa mẫu kim loại sắt ở 300 K theo Hình 3.24 58 thời gian ủ nhiệt. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Khối lượng riêng và một số dữ liệu của hệ số cấu trúc a(K) 5 của một số kim loại, trong đó K1 và K2 là vị trí đỉnh cao thứ nhất và thứ hai của a(K).
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn luận văn Mặc dù vật liệu kim loại (Fe, Ni và Co) đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học vật liệu, nhưng chỉ đến những năm gần đây sự hiểu biết về cấu trúc và các tính chất trong vật liệu này mớiđược cải thiện đáng kể. Bằng việc sử dụng các phương pháp mô phỏng máy tính, một loạt các công trình mô phỏng vi cấu trúc và các đặc trưng về khuếch tán trong một số vật liệu được thực hiện. Tuy nhiên còn nhiều vấn đề về cấu trúc cũng như các tính chất trong vật liệu kim loại cần được mở rộng nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khuếch tán trong trạng thái lỏng, rắn không thể thực hiện nếu không có thăng giáng mật độ. Người ta giả thiết rằng tốc độ thăng giáng càng lớn, thì hệ số khuếch tán càng lớn. Vì vậy tốc độ TGMĐĐP phải có những ảnh hưởng khác nhau đến quá trình động học trong hệ. Do đó, nghiên cứu hệ thống về sự phân bố không gian của TGMĐĐP có thể đưa ra cách nhìn rõ ràng hơn về cơ chế khuếch tán trong vật liệu. Hơn nữa, mối liên hệ giữa sự TGMĐĐP với hệ số tương quan và hệ số khuếch tán hiện nay đang có nhiều vấn đề còn bỏ ngỏ. Một chất lỏng thường tinh thể ở nhiệt độ nóng chảy, trừ khi sự làm mát chất lỏng được thực hiện nhanh chóng đến mức nó bỏ qua sự tinh thể hóa và chất lỏng chuyển sang pha thủy tinh. Khi vật liệu vô định hình (VĐH) nhân được bằng sự giảm nhiệt nhanh chóng được ủ nhiệt ở dưới nhiệt độ nóng chảy, chúng có thể trải qua biến đổi cấu trúc qua các trạng thái rắn khác nhau. Có hai loại biến đổi: 1/ sự rổi phục mà ở đó vật liệu vẫn rắn VĐH, nhưng một vài tính chất của chúng thay đổi nhỏ theo thới gian; 2/ sự tinh thể hóa mà ở đó vật liệu chuyển sang trạng thái cân bằng. Sự hiểu biết về các cơ chế vi mô thông qua sự biến đổi này là một trong những vấn đề quan trọng trong khoa học ứng dụng. Vì vậy hiểu biết của chúng ta về cơ chế biến đổi này là cần thiết và cần được mở rộng nghiên cứu. 1
Vì vậy, với mong muốn tìm hiểu, trang bị những kiến thức bổ ích về cấu trúc và tính chất của vật liệu kim loại chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận văn: Nghiên cứu sắt lỏng với sự trợ giúp của phương pháp khai khoáng dữ liệu. 2. Mục tiêu luận văn Mục tiêu luận văn là mô phỏng cấu trúc mẫu sắt ở các nhiệt độ khác nhau thông qua việc phân tích HPBXT, SPT và phân bố sự TGMĐĐP. Nghiên cứu sự thăng giáng mật độ trong các mô hình theo nhiệt độ. Nghiên cứu quá trình hình thành pha tinh thể của kim loại Fe ở nhiệt độ 300 K. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT, trực quan hóa và phương pháp phân tích vi cấu trúc. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn Đối tượng nghiên cứu là mẫu sắt ở dải nhiệt độ 300-2300 K. Luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề: i) Mô hình ĐLHPT sắt, phân tích các đặc trưng vi cấu trúc truyền thống như HPBXT, SPT, phân bố góc, đặc trưng của ĐVCT (Simplexes); ii) Nghiên cứu sự TGMĐĐP trong các mẫu theo nhiệt độ; iii) Nghiên cứu quá trình tinh thể của kim loại Fe ở 300 K. 5. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1 giới thiệu tổng quan về vật liệu kim loại. Chương 2 trình bày phương pháp mô phỏng ĐLHPT; Kỹ thuật tính toán các đặc trưng cấu trúc như: HPBXT, SPT, phân bố góc, xác định ĐVCT, TGMĐĐP, cách xác định đơn vị tinh thể BCC. Chương 3 trình bày kết quả và thảo luận về cấu trúc sắt theo nhiệt độ, sự TGMĐĐP và quá trình tinh thể của sắt BCC. 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Phạm Hữu Kiên (2012), Mô phỏng cơ chế khuếch tán “BUBBLES” trong vật liệu kim loại vô định hình, Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội. [2] Võ Văn Hoàng (2004), Mô phỏng trong 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 phỏng trong vật lý, NXB Đại học Sư phạm 2014. [4] Phạm Hữu Kiên (2012), Mô phỏng cơ chế khuếch tán “BUBBLES” trong vật liệu kim loại vô 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 của hiệu ứng tương quan lên hệ số khuếch tán nguyên tử của kim loại và 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 cơ chế khuếch tán xen kẽ trong vật liệu vô 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. 3
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 mô phỏng trong 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 Non- Crystalline 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 4
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. 5