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 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.
Hình 1.2.

HPBXT của Fe lỏng và VĐH (công trình của T. Ichikawa):
Fe vô định hình (1), Fe lỏng ở nhiệt độ 1560K.

5

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).
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.

Ví dụ về phân đám Expectation-Maximization với dữ liệu
phân bố Gauss.
Phân nhóm dựa trên mật độ với DBSCAN
DBSCAN giả thiết các đám có mật độ tương tự nhau, và có
khả năng tách các 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 2 chiều (2 D) vị trí các đỉnh của HPBXT đối
với cấu trúc VĐH.
Mô tả ĐVCT-8,-9 nguyên tử trong không gian 3 chiều.

26
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

Hình 2.6.

liệu: Quả cầu đen biểu diễn nguyên tử có SPT 14; Quả cầu mầu
đỏ biểu diễn các nguyên tử có lân cận 4; Quả cầu mầu xám biểu
diễn các nguyên tử có lân cận 6.

31


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;
1823 K và 2225 K.
Phân bố SPT của các mẫu sắt nhận được ở các 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.

nhau 293 K; 826 K; 1200 K và 2225 K.
Phân bố bán kính của các ĐVCT ở các nhiệt độ khác nhau.
Phân bố khoảng cách giữa hai biên của các ĐVCT ở các
nhiệt độ khác nhau.
Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương

của

nguyên tử trong khoảng nhiệt độ từ 293 K, 826 K.
Khoảng cách dịch DCBPTB của nguyên tử trong khoảng
nhiệt độ từ 1564 K đến K 2225 K.
Khoảng cách dịch chuyển trung bình bình phương

của

nguyên tử ở nhiệt độ 1200 K.
Phân bố của TGMĐĐP loại khác nhau. Đồ thị thay đổi đáng
kể khi hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH.
Sự phân bố của TGMĐĐP loại khác nhau. Đồ thị thay đổi
đáng kể khi hệ biến đổi từ dạng lỏng sang trạng thái VĐH.
Sự phụ thuộc của <m(n)> vào bướcn ở nhiệt độ từ 1564 K 2225 K.
Sự phụ thuộc của <m(n)> vào bước n ở 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 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

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
Hình 3.23

thể hoàn toàn (đen) và mẫu tinh thể lý tưởng (đỏ).
Số nguyên tử tinh thể theo bước mô phỏng của mẫu 300 K.
thời gian ủ nhiệt.

56
57

Mô tả quá trình tinh thể hóa mẫu kim loại sắt ở 300 K theo
Hình 3.24

56

58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1.

Khối lượng riêng và một số dữ liệu của hệ số cấu trúc a(K)
của một số kim loại, trong đó K1 và K2 là vị trí đỉnh cao
thứ nhất và thứ hai của a(K).

5


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 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

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