蒙特卡罗法模拟压力容器钢中的团簇

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1、蒙特卡罗法模拟压力容器钢中的团簇（材料科学与工程学院，上海）摘要：反应堆压力容器钢的脆化可能源于团簇。由于在电镜下很难识别纳米团簇，所以通过蒙特卡罗与分子动力学，模拟团簇与位错的交互作用。模拟结果表明：空位簇阻碍作用最强，其余团簇差异微小；Cu-Ni-v簇的阻力与位错线的取向有关；小尺寸Cu，Cu-v或Cu-Ni-v簇对位错阻碍作用较弱；将Ni替换为Cu原子不会导致强度的任何显著增加。关键词：压力容器；团簇；蒙特卡罗模拟；位错MonteCarloSimulationofClustersinPressur

2、eVesselSteel(SchoolofMaterialScienceandEngineering,,Shanghai,China)Abstract:Theembrittlementofthereactorpressurevesselsteelmaybeduetoclusters.Becauseitisdifficulttoidentifynanoclustersunderelectronmicroscopytheinteractionbetweenclustersanddislocationsiss

3、imulatedbyMonteCarloandmoleculardynamics.Theresultsshowthatthelatentclusterhasthestrongesteffectandtheotherclustersaresmall.TheresistanceofCu-Ni-vclusterisrelatedtotheorientationofdislocationline.TheCu，Cu-vorCu-Ni-vclusterThehindranceisweak;replacingNiwi

4、thCudoesnotresultinanysignificantincreaseinstrength.Keywords：Pressurevessel;cluster;MonteCarlosimulation;dislocation1.团簇团簇[1]一般指由几个甚至上万个原子或分子形成的相对稳定的聚集体，介于孤立原子分子与宏观物质之间，用无机分子来描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此，人们把团簇看成是介于

5、原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。团簇结构的形成是由组成团簇的原子数目和原子间的相互作用势决定的[2]。利用势函数计算原子团簇的势能的最小值，来预测团簇的最低势能时的结构。2.第一原理分子动力学模拟团簇2.1第一原理分子动力学原理通过第一原理分子动力学研究团簇[1]，一般无法严谨求解，因而在实际计算中必须采用近似。一个基本的近似就是基于Born-Oppenheimer近似，将电子的运动和原子核的运动分开，以此描述体系电子结构和总能量。在团簇原子

6、核坐标固定的情况下体系总能量的求解常采用两种方法，密度泛函理论（Density-FunctionalTheory，DFT）和紧束缚（Tight-Binding，TB）方法。密度泛函理论从第一原理出发，利用自洽的方法计算出系统的电子结构，可以定量的反映原子间的价键强度。但是第一原理密度泛函方法的计算量非常大，不适合计算原子数上百的大团簇体系。利用第一原理计算团簇稳定构型过程中，并没有充分考虑团簇电子结构的性质。而紧束缚方法通过一套物理参数来描述原子间的价键关系。由这些物理参数组装体系电子部分的大哈密顿矩阵

7、，然后在原子核固定的条件下由量子力学的方法求出体系的电子结构，其计算量比密度泛函小2-3个量级。根据第一原理（密度泛函和紧束缚）分子动力学，在团簇原子核坐标固定的情况下，计算出体系的电子结构和总能量。再利用Hellmann-Feynman定理对电子总能微分就可以求出每个原子核感受到的力。原子核在该力作用下按照经典力学方程运动，从而可以进行结构优化、动力学模拟等计算。2.2第一原理分子动力学的优点当团簇包含的原子个数较少时，可结合基于密度泛函的第一原理分子动力学方法进行计算；而对于更大的团簇体系，为了进一

8、步减小计算量，还可以使用Tight-Binding方法[1]。由于密度泛函方法的计算量非常大，不适合计算大团簇体系，因此在计算大团簇体系的时候我们采用基于第一原理的紧束缚方法。由于紧束缚方法的精度取决于所用物理参数的有效性，只要有合适的参数，紧束缚方法就能用较小的计算量研究非常大的团簇体系。基于第一原理的紧束缚方法和密度泛函方法相比较，不仅保持了第一原理的精度，而且可以以较小的计算量计算较大的团簇体系。紧束缚方法在对原子数上百的碳纳米管的计