Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟.ppt

Cu 熔化及凝固过程的分子动力学模拟 摘要 采用Embedded-Atom Method (EAM)作用势，利用分子 动力学方法模拟Cu 的熔化及凝固过程，研究了不同冷 却速率对液态Cu 凝固过程的影响，分析了升降温过程 中体系的偶分布函数、能量、MSD(均方位移 ) 随温度 变化的特征。结果表明：在凝固过程中，冷却速率快时 ，形成非晶体；冷却速率慢时，形成晶体。冷却速率越 慢，结晶温度越高，结晶越充分，得到的结构越稳定。 关键词 分子动力学模拟；EAM 势函数；熔化；凝固 1引言 大量的实验结果表明，金属在熔化和凝固过程中的宏观性质变化是 由体系的微观结构转变引起的，但其微观结构转变很难通过实验获 得。因此，计算机模拟成为研究熔化、凝固过程中体系微观结构转 变的重要手段。 随着计算机计算能力的提高和原子间相互作用势的发展，分子动力 学方法已经成为研究材料微观结构的一个重要方法。基于嵌入原子 方法(EAM)构造的原子间相互作用势已被成功的应用于液固相变、 位错、界面模拟等多个方面。 本文采用EAM 相互作用势，利用分子动力学方法模拟Cu 升温熔化 及在不同冷却速率下的凝固过程，采用偶分布函数(PCF)、均方位 移(MSD)等方法分析了体系的微观结构转变。 2、分子动力学模拟的基本过程 模拟体系的初始构型由666 的Fcc-Cu 元胞组成，共 864 个原子，时间步长为1fs（飞秒），采用三维周期 性边界条件，Nose/Hoover 控温控压方法。首先让体 系在298K 下驰豫100000 步，然后以41012K/s 的速 率升温至1898K；然后在1898K 下驰豫100000 步得到 平衡液态结构，再分别以41013K/s，11013K/s， 41012 K/s，41011 K/s 的速率降温至298K。在模拟 过程中每400K 记录一次体系的构型，每个构型驰豫一 定的时间，并通过构型的平均来确定相应的体系结构。 4.1 加热融化过程 图 1 给出了升温过程中原子平均能量随温度变化的关系，随着温度的升高，原子 平均能量近乎线性的增加，当温度达到某一值时，原子能量突然增大，说明体系 发生了某种相变。 图2 为升温过程中不同温度下偶分布函数曲线，从图中可以看 出，随着温度的升高，偶分布函数第一峰高度不断变低，宽度 不断变宽，这表明每个原子的第一近邻原子数目不断减少，同 时第二峰也出现相同的变化。这些都说明，随着温度的升高， 体系的短程有序度不断下降，无序度不断增加。值得注意的是 ，在1498K 及1898K 下，偶分布函数对应晶态下的第二峰完全 消失，体系表现出明显的液态特征，故可证明图1 中发生的相 变为固液相变，体系发生熔化。由此可确定模拟得出的熔点为 1493K 4.2 降温凝固过程 图 3 给出了不同降温速率下原子平均能量随温度变化的关系曲线，由图可以看出 ，当冷却速率为41013K/s 时，原子能量连续减小，整个降温过程中原子平均能 量不存在突变，体系最终形成非晶。当冷却速率为41011 K/s 时，原子能量在 随温度降低的过程中突然减小，体系发生晶化转变，转变点对应的温度即为结晶 温度。并且可以看出，降温速率越低，对应的结晶温度越高，曲线突变时下降越 陡，下降单位温度释放的能量越多，体系最终能量越低，结晶越充分,得到的最终 结构越稳定。 图4 为冷却速率为41013K/s 及41011 K/s 时的偶分布 函数曲线，随着温度的降低，偶分布函数第一峰高度不 断增加，宽度逐渐变窄，表明每个原子的第一近邻原子 数目不断增加，体系的短程有序度增强。图4(a)中，在 298K 下偶分布函数对应液态的第二封出现劈裂，表现 出明显的非晶特征；图4(b)中，在298K 下偶分布函数 在对应液态的第一峰和第二峰之间出现了一个小峰，表 明体系具有明显的晶态结构。 固态下体系的均方位移存在一个上限值，而液态的均方位 移呈线性关系。图5 给出了降温速率为41013 K/s 、 41011 K/s 时体系在698K 下的均方位移，可以看出速率 为41011 K/s时，体系具有固态特征；而速率为41013 K/s 时，体系依然具有液态特征。这表明在形成非晶或晶 体之前，体系处于过冷液态，降温速率越快，过冷液态范 围越广。 5 结论 1)采用EAM 势函数，利用分子动力学方法模拟 了Cu 的升温熔化过程,模拟得到熔点为 1493K,与实际熔点误差约为9.7%. 2)模拟了Cu 在不同冷却速率下的凝固过程，结 果表明,冷却速度快时形成非晶体，冷却速度慢 时形成晶体。冷却速度越慢，结晶温度越高，结 晶进行得越充分，得到的结构越稳定。 3)升降温中存在温度滞后现象,降温速率越大,过 冷液态范围越大。 参考文献 (References) 1 Daw M S, Baskes M I. Semiempirical, Quantum Mechanical Calculation of Hydrogen Embrittlement in MetalsJ. Phys Rev Lett, 1983, 50(17): 12851288 2 Daw M s, Baskes M I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metalsJ. Phys. Rev. B, 1984, 29(12), 64436453 3 王海龙，王秀喜，梁海弋. 金属Cu 体熔化与表面熔化行为的分子动力学模 拟与分析J. 金属学报，2005， 41(6): 568572 4 Deng Huiqiu, Hu Wangyu, Shu Xiaolin, (et al) Analytic embedded- atom method approach to studying the surface segregation of Al-Mg alloysJ. APPlied Surface Science, 2004, 211(1-4): 408414 5 孟利军，张凯旺，钟建新. 硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学 模拟J. 物理学报，2007，56(2): 10091013 6 Cai J, Ye Y Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fcc metals and their alloys PhysJ. Rev. B, 1996, 54(): 8398-8410 7