单晶锆固态相变与熔化特性的分子动力学模拟研究

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1、万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期a纠争犁协学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部

2、或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：蛮毛瞬签字日期：五f毕肆年一栅导师签名：逖嚼’签字日期：护肜年中月如日万方数据中国工程物理研究院硕士学位论文摘要相交是指材料在一定温度和压力等条件下发生的物相的转变。相变前后，材料的微观结构发生变化，从而引起宏观性质的显著改变。对相变现象的研究具有理论意义和工程价值。在核工业中，锆因其高熔点、高硬度、低热中子吸收截面等优良的材料特性得到了广泛应用。常温下，锆晶体处于密排六方结构。升温时发生固态相变，转变为体心立方结构。继续升温则会熔化。本文使用分子动力学方法，对温度引

3、起的单晶锆的固态相变和熔化这两类典型相变现象进行了数值模拟研究。在给定温度和压力状态下，材料处于所有潜在物相中自由能最小者。通过比较不同状态点下各相的自由能，即可确定相变点并绘制相图。然而自由能无法通过分子动力学模拟直接获得。热力学积分法是间接计算自由能的一种常见方法。该方法通过在真实体系和参考体系间建立一条可逆热力学路径，将真实体系自由能的计算转变为求可逆路径上各中间体系的系综平均这一分子动力学方法容易解决的问题。然而描述中间体系的势函数是由参考体系和真实体系的势函数耦合而成。可逆路径上每一个中间体系实际上都对应着不同的势函数。常见分子动力学程序无法解决该问题。本文

4、在LN唧IPS这一著名的分子动力学程序上进行了二次开发，增加了对可逆路径上中间耦合体系的处理方法，实现了使用热力学积分法计算晶体材料Helmholtz自由能这一功能。在此基础上，本文分别计算了密排六方和体心立方结构锆的温度一自由能曲线，求得锆固态相变温度点1310K，与实验结果1136K吻合较好。通过对相变过程晶体中原子位置的追踪与分析，获得了锆从体心立方到密排六方结构的相变机制：[100]晶向收缩，[Ol1]和[0-11]晶向拉伸，同时{011)晶面相对滑移，最终形成稳定的密排六方结构。该过程与Burgers提出的相变机制一致。熔化是一级相变，伴随着体系体积的突变。

5、本文使用回滞曲线法，通过监控升温和降温过程原子平均体积的变化情况，求得了零压下锆的平衡熔点2010K，与实验结果2128K吻合较好。通过改变体系压力，研究了压力对锆平衡熔点的影响。结果表明：随着压力增加，锆的熔点先小幅增加，随后缓慢降低，与铜、铝等金属呈现出的熔点随压力增加丽持续增加并趋于某固定值的趋势相异，与钛一致，表明了该族金属独特的材料特性。通过在完美晶体中随机删除指定比例原子，研究了初始缺陷率对锆熔点的影响。结果表明：熔点随着缺陷的增加先显著降低，后趋于平衡，与实验结果一致。关键词：锆，温度，自由能，固态相变，熔化，分子动力学万方数据单晶锆固态相交与熔化特性的

6、分子动力学模拟研究ABASTRACTPhasetransitonisthetransformationbetweenpossiblephasesofacertainmaterialunderaspecifiedtemperatureandpressureorotherphysicalconditions．Itisessentiallyfeaturedbychangesofthestructureofmaterialsatthemicroscalethatleadtonotablechangesoftheirpropertiesatthemacrosopicscale．

7、Innuclearindustry，withsuperiorpropertiesincludingthelowneutronabsorptioncrosssection，thehi曲meltingpointaswellasthehi曲hardness，thezirconium(乃)iswidelyused，whichisstable她ththeclose-packed-hexagonalstructure(theaphase)attheambienttemperatureandtransformstothebody-centered-cubicstr