基体表面形貌对Ni/Fe热喷涂及结合强度影响的原子模拟

通过分子动力学方法模拟了基体表面形貌对热喷涂的影响。研究了柱状粗糙表面和光滑表面对团簇展平、基体缺陷演化、应力分布、涂层与基体结合强度的影响。结果表明,基体表面形貌对热喷涂结合强度影响显著,粗糙表面不仅增加了团簇与基体的实际接触面积,提高了附着力,而且在界面结合处形成锚固效应,从而提高了界面结合强度。同时,基体表面形貌改变了界面区域的应力分布,柱状粗糙表面可以减小应力集中效应,降低临界应力,减轻对基体的损伤。此外,粗糙表面会阻碍团簇的滑移,减小了展平比。     

金属Nb级联碰撞的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了bcc结构Nb在辐照损伤初期因辐照诱发位移损伤形成和演化的微观过程以及原子机制。选取初级离位原子(primary knock-on atom,PKA)能量5～50 keV,模拟温度300 K,研究了Nb中级联碰撞产生的缺陷数量及其分布随模拟时间的演化,PKA能量对稳定Frenkel缺陷数目的影响,缺陷团簇的分布等。研究结果显示,级联碰撞会在体系中产生辐照缺陷,Frenkel缺陷对数目和不同的PKA能量区间(5～30 keV和30～50 keV)之间满足不同的幂函数关系,所形成的缺陷大多数以点缺陷的形式存在,空位团簇成团率17%～35%,间隙原子团簇成团率23%～40%,PKA能量越高,空位越容易形成较大的团簇;级联碰撞产生的间隙原子形成了大量的沿<110>方向的哑铃型结构;当PKA能量高于30 keV时,级联碰撞将产生1/2<111>间隙型位错环和<100>空位型位错环。     

Fe-Cu合金基体损伤的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟了压力容器模型材料Fe-0.05Cu和Fe-0.3Cu合金的级联碰撞过程.研究了辐照导致的缺陷构型及其特征能量、Cu的空位迁移机理、Cu含量对初始损伤的影响、辐照温度对间隙原子团簇和空位团簇的影响等.结果表明,Cu对级联碰撞产生的缺陷数量、湮灭和复合没有明显影响,但可降低空位迁移能.辐照温度对团簇有明显影响.     

钢液环境对Ti-O团簇形貌影响的分子动力学模拟

钢中细小、弥散分布的钛氧化物可以诱导晶内铁素体的形成,提高钢的力学性能。通过分子动力学方法模拟研究了Ti-O团簇长大演化成为钛氧化物的过程,并探究了钢液环境与空位对Ti-O团簇形貌的影响。结果发现：在真空中以球状结构稳定存在的Ti-O团簇在钢液中呈蠕虫状或树枝状。通过比较低能Fe原子在Ti-O团簇周围和钢液中的分布,发现在团簇内O原子周围0.25～0.30 nm范围内Fe原子出现聚集,说明钢液中Fe原子对Ti-O团簇中的O原子产生作用,使Ti-O团簇形貌发生变化。空位易在距离Ti-O团簇表面0.45 nm范围内聚集,空位扩散加速了Ti-O团簇的碰撞长大。     

工艺参数对Ni/Fe金属热喷涂影响的分子动力学模拟（英文）

采用分子动力学模拟方法研究不同工艺参数下热喷涂材料的沉积现象。模拟温度、团簇尺寸和喷涂速度对Fe基体上Ni团簇沉积的影响,分析团簇的形貌和基底的亚表面损伤。结果表明,在Ni团簇升温过程中,熔点随团簇尺寸增大而增高,Ni团簇在1800 K左右完全熔融。喷涂过程中,基体因冲击力至无序原子呈"山"型。此外,喷涂速度在沉积过程中起重要作用。在较低喷涂速度下,基体的展平比较低,但在较高喷涂速度下,基体受团簇冲击后会出现空位和原子团簇等缺陷。因此,热喷涂过程存在临界喷涂速度机制。     

分子动力学模拟铜纳米团簇的结构稳定性

利用分子动力学研究了原子数为13～1 055的铜纳米团簇.结果表明:随着尺寸的减小,铜纳米团簇的结构发生晶体→非晶→晶体→非晶→晶体→非晶的转变.团簇平均原子结合能随着尺寸的减小而减小,且只依赖于短程有序,这说明了团簇平均原子结合能一般不能够作为非晶与密堆结构晶体转变的判据.平均原子间距不但依赖于团簇的尺寸,且对团簇结构的变化敏感,可以作为非晶与密堆结构晶体转变的一个判据.对偶分布函数的研究表明,大尺寸团簇的内部和表层原子结构都表现出晶格收缩效应,且不同于相应块体晶格,这表明了目前文献中关于团簇的块体加表面模型与壳核模型都有待改进.     

高压下金属钨固-固相变的分子动力学模拟（英文）

采用分子动力学模拟研究高压下金属钨快速凝固过程中的相变,并用双体分布函数和最大标准团簇分析法(LSCA)对其结构进行分析。在冷却速率为0.1 K/ps、压强40～100 GPa下纯钨熔体首先结晶成体心立方(BCC)晶体,然后经过一系列BCC-HCP共存的中间态,转变成六方密排(HCP)晶体。动力学因素可能导致液-固相变过程包含中间态;而在BCC向HCP转化的过程中,纵横交错的晶界导致很多难以区分的中间相,从而使本为一级相变的固-固转变看起来像是连续相变。作为一种与参数无关的结构分析方法,LSCA能识别拓扑密堆结构和计算其平均截止距离等参数来探测无序体系中的关键结构演变。     

Cu熔体中原子团簇在凝固过程中的演变规律分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究了Cu熔体以不同速率冷却微观结构的演变规律.结果表明,冷却速率在10^12.6K/s到10^14.5K/s之间时,Cu熔体凝固后形成了非晶体与晶体的混合体;Cu熔体中的原子团簇、临界晶核及凝固后晶体的结构均是由hcp和fcc结构层状镶嵌排列构成,这说明Cu凝固后形成的层状镶嵌结构起源于形核阶段;冷却速率小于10^13.3K/s时,Cu层状镶嵌结构中具有fcc结构的原子数多于hcp结构的原子数,而冷却速率大于10^13.3K/s后,hcp结构的原子数多于fcc结构的原子数;Cu非晶基体中晶态结构原子团簇的尺寸小于临界晶核尺寸时,虽然用HA键型指数法能确定出一定数量晶态结构原子键对的存在,但径向分布函数反映不出其晶态结构的特征.     

ZnxAl100-x合金快凝过程中微结构演变特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对液态Zn_xAl_100-x（x=25,50,75）合金的快速凝固过程进行了模拟,并通过键型指数与原子团类型指数表征和分析了凝固过程中熔体微观结构的演变特性.结果表明,在冷速1×10¹²K/s下,3种成分的Zn-A1合金都形成了以1551键对和二十面体（12 0 12 0 0 0）基本原子团为主体的非晶结构,并且在玻璃转变温度T_g附近熔体中1551键对和二十面体基本原子团的数目最多;随Zn含量增加,合金玻璃转变温度T_g、非晶形成能力和化学短程序参数降低.对应不同成分的合金,Zn和A1呈现不同程度的偏聚与团簇化趋势.     

纳米Fe颗粒对液态Fe凝固过程影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了纯Fe材料中嵌入固相Fe纳米团簇后的凝固过程。结果表明,嵌入的纳米团簇能够显著降低过冷度,凝固得到的Fe的结构为γ-Fe。当凝固发生时,嵌入的Fe纳米团簇能够保持其形状。凝固过程首先从纳米团簇与Fe液的界面处开始发生,其形核长大阶段会交替出现稳定的FCC层和亚稳的FCP层。随后在结构弛豫阶段,大部分亚稳态FCP结构会逐渐转变成稳态的FCC结构。嵌入纳米团簇的结构能决定Fe液在凝固过程中的晶格取向和结构演化以及凝固的最终结构。     

冷喷涂Au纳米粒子在金属表面沉积过程的分子动力学模拟

通过对Au纳米粒子在Au基体上沉积过程的分子动力学模拟，再现了冷喷涂中Au纳米粒子在Au基体上沉积的过程以及粒子和基体表层的形貌变化；在撞击过程中，基体的局部区域有熔化现象，通过计算粒子原子进入基体表面层的数量及粒子与基体间的最终接触面积，探讨了影响喷涂粒子沉积过程的主要因素．     

单晶锗薄膜热导率的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学(NEMD)方法研究平均温度为400 K,厚度d=2.8288～11.315 nm的单晶锗薄膜法向的热导率.模拟结果表明,单晶锗薄膜热导率随薄膜厚度的增加以接近线性的规律增加,其数值明显低于同等温度下体态锗的试验值.当薄膜厚度一定时,单晶锗薄膜的热导率随温度增加变化幅度很小,与同体态锗热导率随温度的变化规律相比表现出明显的尺寸效应.     

单晶Ge纳米薄膜面向热导率的分子动力学模拟

利用非平衡分子动力学模拟方法研究了单晶Ge薄膜的厚度以及温度对其面向热导率的影响规律。针对单晶Ge薄膜的结构特点和导热机制,采用Stillinger-Weber势能模型描述Ge粒子间的相互作用,并且建立面向稳态热传导模型。模拟结果显示,单晶Ge薄膜面向热导率具有明显尺寸效应,随薄膜厚度的增加而增大,随温度的升高而减小。与法向热导率的模拟结果进行比较,证明单晶Ge薄膜热导率具有各向异性的特点。     

分子动力学模拟技术及其在金属熔体结构研究中的应用

介绍了分子动力学模拟技术的基本原理、模拟过程及广泛使用的原子间相互作用势函数,综述了该方法在研究金属熔体结构方面的最新成果及今后的发展方向.     

Molecular Dynamics Simulation of Flattening Process of a High-Temperature, High-Speed Droplet—Influence of Impact Parameters

Three-dimensional molecular dynamics simulation was conducted to clarify at an atomic level the flattening process of a high-temperature droplet impacting a substrate at high speed. The droplet and the substrate were assumed to consist of pure aluminum, and the Morse potential was postulated between a pair of aluminum atoms. In this report, the influence of the impact parameters such as the droplet velocity and the droplet diameter on flattening behavior were analyzed. As a result, the following representative conclusions were obtained: (a) the flattening ratio increases in proportion to the droplet velocity and the droplet diameter; (b) the flattening ratio for nanosized droplet can be reorganized by the same dimensionless parameters of the proper physical properties, such as the viscosity and the surface tension, as those used in the macroscopic flattening process. This article is an invited paper selected from presentations at the 2007 International Thermal Spray Conference and has been expanded from the original presentation. It is simultaneously published in Global Coating Solutions, Proceedings of the 2007 International Thermal Spray Conference, Beijing, China, May 14-16, 2007, Basil R. Marple, Margaret M. Hyland, Yuk-Chiu Lau, Chang-Jiu Li, Rogerio S. Lima, and Ghislain Montavon, Ed., ASM International, Materials Park, OH, 2007.     

金刚石/Ti热压扩散过程的分子动力学模拟

目的 应用分子动力学模拟金刚石与Ti在热压扩散过程中的界面原子扩散和TiC生成过程。方法 采用改进型嵌入原子势函数(MEAM)描述Ti、C和Ti—C之间的相互作用,将模拟过程分为弛豫、热压和保温3个阶段,模拟出金刚石与Ti界面间的原子扩散带厚度、原子扩散速度和TiC的成键过程。为了验证分子动力学模拟结果,进行了聚晶金刚石与钛箔的热压扩散试验,在聚晶金刚石表面制备了Ti涂层。利用扫描电子显微镜观察聚晶金刚石与Ti涂层之间的界面,并进行EDS分析。利用X射线衍射仪分析聚晶金刚石与Ti界面的物相组成。结果 模拟结果显示,在弛豫、热压和保温3个阶段,金刚石与Ti之间的扩散带厚度分别为0.870 9、0.888 9、2.056 5 nm,从弛豫到热压阶段,扩散带厚度增加了2.07%,从热压到保温阶段,扩散带厚度增加了131.35%;C原子均方位移曲线斜率为1.877 4×10^?5,Ti原子的均方位移曲线斜率为1.016 7×10^?5,C原子的均方位移的斜率比Ti原子的均方位移的斜率快84.66%;在弛豫20 ps后,C原子的游离键靠近Ti原子,在100 ps的热压过程中,C原子和Ti原子之间形成少量的Ti—C键,在500 ps的保温过程中,在界面间生成大量的Ti—C键。聚晶金刚石与Ti结合紧密、平整,用EDS测试出聚晶金刚石与Ti界面间的扩散带厚度为5.7 μm,在聚晶金刚石与Ti界面的XRD图谱测到了TiC衍射峰。结论 在金刚石与Ti的热压扩散过程中,C和Ti原子之间存在明显的原子扩散现象,形成了具有一定厚度的扩散带。在金刚石与Ti的界面区域的原子扩散中,C原子的扩散能力和扩散速度大于Ti原子,并在扩散界面内生成了Ti—C键,金刚石与Ti之间形成了化学结合,有助于提高金刚石表面与Ti涂层的结合强度。     

微细电火花加工放电蚀除过程的分子动力学模拟研究

电火花加工的放电蚀除过程是在极短时间内和极微小空间内发生的,导致用观测和理论分析的方法进行研究都极其困难,因此其放电蚀除机理至今仍未能被明确的解释.论文应用分子动力学方法对微细电火花加工的放电蚀除过程和熔融区的形成及形状等进行了模拟研究,该研究基于放电通道变化的热源模型,并与放电通道恒定情况下的模拟结果进行了对比,证明...     

金属晶体间微观滑动摩擦特性的分子动力学模拟

根据独立振子模型的能量耗散机理,以光滑干摩擦接触平面为对象,利用金属晶体的强体积效应特征,构造了简化计算的界面势能模型,分析了在界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化计算滑动摩擦力与摩擦因数模型。从瞬间原子位置图和系统能量方面,进行计算模拟和试验对比验证,结果表明:当接触界面势能处在某个谷底时,滑块受静摩擦力,界面间发生相对运动,滑块变为受滑动摩擦力作用;摩擦力按基本不变的斜率增加到某一值后突然降低,而后变化呈现一定的周期性;随着滑动的逐渐进行,运动体与基体表面的温度逐渐增加而后趋于稳定,两表面存在温度差;滑动后界面平均接触压力明显下降,而后趋于平缓。     

金属晶体间微观滑动摩擦特性的分子动力学模拟

根据独立振子模型的能量耗散机理,以光滑干摩擦接触平面为对象,利用金属晶体的强体积效应特征,构造了简化计算的界面势能模型,分析了在界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化计算滑动摩擦力与摩擦因数模型。从瞬间原子位置图和系统能量方面,进行计算模拟和试验对比验证,结果表明：当接触界面势能处在某个谷底时,滑块受静摩擦力,界面间发生相对运动,滑块变为受滑动摩擦力作用;摩擦力按基本不变的斜率增加到某一值后突然降低,而后变化呈现一定的周期性;随着滑动的逐渐进行,运动体与基体表面的温度逐渐增加而后趋于稳定,两表面存在温度差;滑动后界面平均接触压力明显下降,而后趋于平缓。