Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟

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1、Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟摘要采用Embedded-AtomMethod(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

2、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6×6×6的

3、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4×1012K/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4×1013K/s，1×1013K/s，4×1012K/s，4×1011K/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

4、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149

5、3K4.2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4×1013K/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4×1011K/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4×1013K/s及4×1011K/s时的偶分布函数曲线，随着温

6、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4×1013K/s、4×1011K/s时体系在698K下的均方位移，可以看出速率为4×1011K/s时，体系具有固态特征；而速率为4×1013K/s时，体系

7、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]DawMS,BaskesMI.Semiempirical,Qu

8、antumMechanicalCalculationofHydrogenEmbrittlementinMetals[J].PhysRevLett,19