铝相变临界压力分子动力学计算

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1、2011届学士学位论文铝相变临界压力的分子动力学计算姓名:指导教师:学院:专业:学号:16铝相变临界压力的分子动力学计算内容提要:本文用分子动力学模拟的方法,采用了EAM势函数,模拟计算了fcc、hcp、bcc结构铝在压缩过程中单原子能量随单原子体积的变化规律,通过此规律分析绘制了fcc、hcp、bcc结构铝的冷能曲线,并由冷能曲线分析判断了铝在高压下可能出现的相变规律,计算了各相变所对应的相变临界压力点。计算结果表明,铝在高压下存在fcc-hcp和hcp-bcc相变,对应的相变临界压力分别为61Gpa和210Gpa。关键词

2、:铝,相变,分子动力学,势函数,冷能曲线。MolecularDynamicsCalculationofPhaseTransitionCriticalPressureofAluminumAbstract:Bymoleculardynamicssimulationsemployinganembeddedatommethodpotential,weinvestigatestructuraltransformationsinsinglecrystalAl.Inoursimulation,theatomicenergyasthefun

3、ctionofthesingleatomicvolumeofthefcc,hcp,bccstructureofaluminuminthecompressionprocesswerecalculated.Thecoldenergycurveofthefcc,hcp,bccstructureofaluminumwereplotted.Theresultsshowthatthefcc-hcpandhcp-bcctransformationwilloccurinthecompressionprocess,andthetransiti

4、onpressuresare61Gpaand210Gparespectivly.Keywords:Aluminum,phasetransition,Moleculardynamics,potentialfunction,coldenergycurve.引言:铝,化学符号是Al,它的原子序数是13。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位,是地壳中含量最丰富的金属元素。在金属品种中,仅次于钢铁,为第二大类金属。至19世纪末,铝才崭露头角,成为在工程应用中具有竞争力的金属,且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展,要求材

5、料特性具有铝及其合金的独特性质,这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用。铝的应用极为广泛。16铝是一种非常年轻的金属,从1944年到1988年的44年间,世界铝年产量增加了19倍,铝发展如此之快,说明铝本身有很多优点,因此铝不断在各个领域中代钢代铜代木也代陶土,铝就发展的一个重要形式就是“取而代之”。在铝短暂的发展过程中,需求起了巨大的推动作用,如二战时期由于制造飞机,推动铝急剧发展,1940年到1943年铝的产量由23万吨猛增到146万吨。而1960~1970年间铝由446万吨增加至1020万吨,其原因是建筑业广泛以铝代钢

6、引起的。汽车工业在发达国家是重要的支柱工业,当前汽车工业激烈竞争中一个新的方向即汽车“轻量化”-“以铝代钢”是必然趋势。随着铝在现代生产生活中的大量应用,对铝材料性能的研究也逐渐深入,铝在各种特殊环境下的性能特征成了研究的重点,尤其是铝在高压下的相变研究得到了广泛的关注。相变是指当外界约束(温度或压力)作连续变化时,在特定条件(温度或压力达到某定值)下,物相突然发生改变。在通常条件下物质有固、液、气三种状态,分别称为固相、液相和气相,在极高温高压下还存在等离子态。从广义上讲,构成物质的原子(或分子)的聚合状态(相状态)发生变

7、化的过程均称为相变,如从液相到固相的凝固过程、从液相到气相的汽化过程。金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时,其内部组织或结构会发生变化,即发生从一种相状态到另一种相状态的转变,这种转变称为固态相变[1]。对于相变的研究,一般情况下可以从热力学、结构变化以及相变动力学几方面进行分类。其中热力学方面主要从相变临界条件方面考虑;结构变化方面主要研究相变的产物;而相变动力学主要指的是相变的机制等。本文研究的铝的相变属于固态相变的范围。在许多情况下,材料的性能决定于材料中的某些特定结构和微观组织结构和分布。这种组织结构包括晶体的形状

8、和分布(晶粒和金相组织)、构成的晶体结构及其中的晶体缺陷、电子组态等,当然也包括它们当中的组织缺陷。因此研究固态相变对控制金属、合金以及某些非金属材料性能有极为重要的理论和实践意义。引起固态相变的原因非常多,其中很重要的一种就是高压引起的相变。在理论研究方面,人们认为铝在高压下存在结构相变

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