固液界面在工业加工中是普遍存在的，固液界面通过影响结晶相的形核和生长，控制着凝固材料的组织演变、缺陷的产生以及最终的性能。固液界面对形核和生长的影响常常从其热力学(即界面自由能，γ0)的角度进行讨论。在铸造和焊接中通过添加孕育剂或微量元素以获得理想的晶粒结构已被广泛研究。另一方面，界面结构经常在晶体生长动力学方面进行研究。固液界面通过过冷熔体的均质形核等技术来确定γ0。虽然目前固液界面的理解已经奠定了基础，但对合金固液界面热力学和动力学的认识还远远不够。最近的研究发现了独特原子结构，表明层错和负温度依赖性界面自由能之间有很强的相关性，这可能是Al-Sm和Cu-Zr均为非晶形成系统的一个关键特征，目前尚不清楚这种异常依赖性是否可以扩展到其他非晶系统中。

来自德国和加拿大的科研人员利用分子动力学模拟等方法，计算了Cu-Zr体系中B2-液相界面的固液界面自由能(γ0)，得到了模型Lennard-Jones B2-液态合金的温度依赖性。提出了独特的界面结构和非典型的温度依赖性是易形成非晶合金的标志。相关论文以题为“Layering misalignment and negative temperature dependence of interfacial free energy of B2-liquid interfaces in a glass forming system”发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117259

研究发现当B2相保持化学计量成分/结构时，B2-液相界面的界面自由能具有负的温度依赖性。对于纯金属，γ0的温度依赖性是正的。对合金而言，固液相平衡成分随温度的变化沿液相线/固相线变化。因此，γ0不仅依赖于温度和过剩熵，还依赖于溶质原子的过剩比例和化学势。分子动力学模拟表明，在固-液界面附近溶质种类的数量密度峰可能存在负γ0依赖关系。

图1 模型Cu-Zr合金1250K时B2和平衡液相的计算

图2 (a) 刚度；(b)界面自由能；(c) Cu-Zr体系中B2-液界面各向异性参数随温度的变化规律

图3 (a) 刚度；(b) 界面自由能；(c) 各向异性参数随温度(εAB)的变化，εAB范围为1.0-2.0

图4 固液界面的密度分布显示不同合金之间的层错差异

本文用原子模拟的方法研究了Cu-Zr和Lennard-Jones体系中的B2-液相界面。证实了以前在稀Al-Sm和Cu-Zr合金中观察到的层错与界面自由能对温度的负相关性之间的关联可以扩展到高浓度成分和具有fcc以外晶体结构的固相。此外，还观察到只有当B2相保持等原子组成时以及在Al-Sm和Cu-Zr中的小溶解度时，才会发生错配和负温度依赖性。表明金属间化合物的非化学计量比或固溶体的溶解度可能与异常行为有关。从吉布斯界面热力学和结构特征出发，讨论了界面自由能对温度的负温度依赖性。从形核和生长的角度讨论了当前研究结果对非晶形成的意义。本研究对非晶合金的设计提供了理论基础。