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