金属Cu体熔化与表面熔化行为的分子动力学模拟与分析

采用Mishin嵌入原子势,通过分子动力学方法模拟了金属Cu原子体系的体熔化和表面熔化行为,分析了体熔化过程中系统结构组态和能量变化以及表面熔化过程中固-液界面迁移情况．模拟结果表明：在体熔化过程中,结构组态与能量在1585K处发生突变;在表面熔化过程中,固-液界面在1380K保持静止．两种熔化过程的不同发生机制是导致体熔点1585K高于热力学熔点1380K的原因．在实际熔化中,表面熔化处于支配地位,实验测量的是热力学熔点．得到的热力学熔点与实验结果吻合良好,验证了本文所采用方法是正确和有效的,同时也说明了Mishin嵌入原子势适合处理复杂无序体系．     

钛单晶纳米柱拉压不对称性的分子动力学模拟

本文基于分子动力学模拟,通过研究钛单晶纳米柱在拉伸和压缩下的力学响应特征及晶体结构演化行为,揭示其塑性变形机制。结果表明沿[0001]晶向拉伸条件下主要塑性变形机制为伴生的{101 ?2}孪晶和基面层错;而沿[0001]晶向压缩条件下,基面位错作为优先形核的缺陷参与到塑性变形过程,随后锥面位错出现并协调了轴向和横向变形,压缩条件下无孪晶产生。拉伸模拟过程中观察到一种有别于传统孪生的晶体再取向现象,其孪晶与基体间呈现基面/柱面对应关系。     

纳米级粗糙表面接触行为的分子动力学模拟

为了研究纳米级粗糙表面接触的微观机理,以金刚石为例,采用Tersoff势,用分子动力学方法研究了具有分形粗糙表面的刚性球形探头与弹性平面的接触过程.模拟结果显示,探头的表面形貌是影响趋近阶段粘附力的重要因素,分形维数越大,粘附力越大;探头的表面形貌对载荷-位移曲线也有影响,载荷较小时,探头表面粗糙形貌显著影响载荷的增长规律,载荷较大时,表面形貌对载荷-位移曲线变化的影响不再显著,载荷与位移线性增长;探头表面的纳米级粗糙峰,显著地影响了探头与基体之间的接触行为.但这种改变,并不会影响接触过程中真实接触面积与法向载荷间的线性关系.     

铅纳米薄膜熔化温度尺寸效应的分子动力学研究

利用紧束缚分子动力学的方法研究厚度为0.5~10.4 nm自由表面铅纳米薄膜的熔化温度。结果表明,铅纳米薄膜的熔化温度随着薄膜厚度的减小而降低,定量的数值结果与热力学模型预测相一致。薄膜厚度大于3个原子层时才有确定的熔化温度,而单原子层膜和双原子层膜在熔化前就已经破裂。对于自由表面的纳米薄膜,薄膜的熔化从上下表面开始,并逐渐向薄膜的中心逼近,这不同于自由表面纳米粒子的熔化过程,即先表层熔化后内部瞬间熔化。薄膜的熔化开始温度要低于熔化结束温度,这和相应块体材料的熔化温度明显不同。     

金刚石与钛的原子热压扩散行为的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了金刚石与钛在热压扩散过程中的原子扩散行为,模拟了不同扩散温度下金刚石与钛界面的原子扩散过程,得到了界面的原子浓度分布、扩散速度以及模拟扩散系数值;采用热压扩散法在金刚石表面镀覆钛层并测量界面的扩散带宽度。研究结果表明：在热压扩散过程中C原子的扩散速度大于Ti原子;随着扩散温度的升高,原子存在低速和快速两个扩散阶段。通过热压扩散的分子动力学模拟对模拟的扩散系数进行数据拟合,能够确定C和Ti原子的扩散因子和扩散激活能,从而简单、有效地确定原子的扩散系数计算公式。金刚石与钛扩散带宽度的计算值与实测值相近,应用分子动力学方法获得的原子扩散系数公式是可行的。     

基于分子动力学的金属钛纳米切削过程研究

本文采用基于分子动力学的仿真方法建立了金属钛纳米切削分子动力学模型,选择了有代表性的切削条件,通过仿真得到瞬间原子位置图像并对切削过程中材料去除现象、加工表面形成过程、系统势能和工件温度等的变化进行了分析。发现在金属钛的纳米切削过程中切屑和加工表面是由于晶格能的释放和位错的不断延伸扩展形成的。已加工表面原子的弹性恢复和晶格重构能够减缓总势能和温度不断增加的趋势,并使其伴随有微小波动。     

核-壳结构Ag-Au纳米颗粒合金化行为的分子动力学

利用分子动力学方法和改进分析型嵌入原子势函数模拟了核-壳结构Ag-Au纳米颗粒的合金化行为,从原子扩散、微观结构演变以及合金化程度等方面对比分析了壳层厚度对合金化行为的影响。结果表明,壳层较薄时,核-壳界面处原子扩散现象显著,内核表现出多面体形貌,表层Au、Ag原子完全混合。壳层较厚时,表面原子以扩散为主,整个颗粒表面为多面体结构,但内核保持初始球状结构。通过层错生长方式使形貌发生了改变。壳层越薄,体系合金化程度越高     

基于分子动力学的金属钛纳米振动切削研究

采用分子动力学模拟方法进行了金属钛的纳米振动切削和普通纳米切削的比较研究.结果表明:在相同仿真条件下,单向振动X、Y向切削力平均值仅为普通切削的1/3左右;椭圆振动切削(elliptical vibration cutting,EVC)相比单向振动切削,剪切角变大,切屑的塑性变形降低,同时主切削力以及背吃刀力值均降低;单向振动切削和EVC的切削温度呈近似正弦脉冲变化, 对比普通加工,振动切削的温度显著下降;相比于单向振动切削EVC的工件平均切削温度略高.     

分子动力学研究铅纳米薄膜熔化温度与结合能的关系

本文利用分子动力学方法研究了铅纳米薄膜的熔化温度与结合能的关系。研究表明,块体材料熔化温度与结合能的关系式在纳米薄膜体系仍然成立,但比例系数是一个依赖于薄膜厚度的参量。若直接将块体材料的公式运用到纳米材料系统,则预测结果的误差随着材料尺寸的减小而增大。     

钯的熔化结晶及玻璃转化的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟等温－等压系统（ＮＰＴ）下金属Ｐｄ的一级相变和非晶态转变的整个过程。原子间相互作用采用ＥＡＭ框架下的有效配对势，计算结果表明：ＥＡＭ框架下的有效配对势能较好地处理Ｐｄ系统的一级相变和玻璃转化过程。     

纳米Ni薄膜在摩擦过程中塑性行为的分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究了金刚石压头在Ni晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.结果表明:在摩擦过程中,穿晶层错和棱形位错环是纳米薄膜结构传递塑性变形的两种载体,纳米薄膜晶界捕获位错阻滞了塑性变形向薄膜晶界下方材料中传播.摩擦过程中易在较薄的薄膜表面和薄膜晶界之间产生穿晶层错,穿晶层错的产生增加了薄膜蓄积塑性变形的能力,从而抑制材料表面摩擦力在黏滑过程中的振荡幅度;在比较厚的薄膜中不易生成穿晶层错,在摩擦过程中位错环依次向体材料发射,并与晶界反应,湮灭于晶界,黏滑动摩擦响应与单晶相似.由于不同厚度薄膜塑性变形产生的位错结构不同,使得在摩擦过程中亚表面微结构的演化亦不同.     

纳米尺度摩擦过程的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了刚性金刚石压头在Ni单晶体上的滑动过程,讨论了压入深度对摩擦力的影响(压入深度对滑动过程中压头下方的微结构演化(能否发射位错环)有很大影响).结合摩擦过程中的塑性行为和能量耗散机制,解释了产生摩擦力锯齿形曲线的原因,证实了位错的形核及湮灭是黏-滑机制的原因之一.不同滑动速度对摩擦力影响的模拟表明,压头的滑动速度决定了压头下方位错环的运动和演化形式:在高速滑动下,形成的位错环依次沿着滑移面很快向Ni单晶基体内扩展;在低速滑动下,压头下方产生的位错环互相发生作用,在材料的亚表面形成较低能量的大位错环,由此产生的塑性变形主要集中在材料的亚表面.     

纳米压痕形变过程的分子动力学模拟

根据EAM多体势,利用分子动力学方法模拟了Ni压头压入Al基体的纳米压痕全过程．包括压头接近和离开基体时的原子组态;压入和上升时的载荷一位移曲线以及位错的发射和形变带的产生和变化;同时模拟了纳米尺度的应力弛豫行为．结果表明,当压头尚未接触基体时就能吸引基体原子,通过缩颈而互相连接．当压入应力Ts为1．9MPa时,基体Al开始发射位错;当分切应力Td=6．4MPa时,出现形变带．压头上升过程出现反向的拉应力,使基体反向屈服,在卸载过程中基体残留位错的组态不断改变．当压头上升离开基体后能拉着基体通过缩颈而相连,当压头和基体分离后仍粘有基体原子．在纳米尺度也存在应力弛豫现象,其原因是热激活引起的位错发射和运动．     

用分子动力学模拟研究V(111)晶面的熔化机理

根据改进分析型嵌入原子模型(MAEAM),通过计算钒的总能量随温度的变化关系确定其熔点为2160±10K,与实验值(2175K)一致。运用分子动力学方法(MD)从原子面密度函数、面结构因子、面径向分布函数三个方面研究了V(111)晶面的预熔现象和熔化情况,发现V(111)面在800K左右开始出现预熔。     

分子动力学法对Cu-Ag合金熔化及凝固过程的模拟

借助镶嵌原子势(EAM)利用等压等温的分子动力学方法(NPT-MD)模拟共晶Cu40Ag60合金的熔化,凝固过程.利用径向分布函数和对分析技术研究Cu40Ag60台金在不同的冷却速率(1×1011,1×1012,5×1012,1×1013。及1×1014 K/s)下的非晶形成能力和微观结构演化.研究发现Cu40Ag60合金形成非晶态需要极大的冷却速率.模拟中的结构分析揭示了合金在冷却过程中微观结构的演化规律     

铌和钨(001)面熔化的分子动力学模拟

采用改进分析型嵌入原子方法(MAEAM),对铌、钨晶体的(001)面预熔和熔化过程进行分子动力学模拟。通过计算不同温度的原子位置、层原子密度、层结构因子、径向分布函数等物理量,研究(001)面的微观结构随温度的变化。结果表明,(001)面在低于其完整晶体的熔化温度出现预熔。另外,通过将该面预熔摩尔分数对温度进行拟合发现,可以近似地预测(001)面的预熔过程。     

单晶材料纳米加工的分子动力学模拟研究进展

分子动力学模拟技术是纳米加工研究的重要方法之一。本文概述了经典分子动力学模拟的基本原理和方法,并结合分子动力学模拟的发展历程,从单晶材料纳米加工的物相转变、结构及热力学特性、介质的影响以及加工后亚表面变形层特性这5个方面,综述了分子动力学模拟在单晶材料纳米加工研究中的应用,最后分析了单晶材料分子动力学模拟中存在的一些问题及需要关注的方向。      

基于分子动力学的金属钛纳米振动切削研究（英文）

采用分子动力学模拟方法进行了金属钛的纳米振动切削和普通纳米切削的比较研究。结果表明:在相同仿真条件下,单向振动X、Y向切削力平均值仅为普通切削的1/3左右;椭圆振动切削(elliptical vibration cutting,EVC)相比单向振动切削,剪切角变大,切屑的塑性变形降低,同时主切削力以及背吃刀力值均降低;单向振动切削和EVC的切削温度呈近似正弦脉冲变化,对比普通加工,振动切削的温度显著下降;相比于单向振动切削EVC的工件平均切削温度略高。     

刀具几何参数对金属钛纳米切削影响的分子动力学研究

基于分子动力学的基本原理,构建了钛的纳米切削分子动力学仿真模型。工件原子间采用嵌入原子势EAM（Embedded atom method）,工件原子与刀具原子间采用Morse势函数,研究了在不同刃口半径和刀具前角条件下,钛纳米切削过程中工件形态、系统势能、切削力以及工件温度等的变化规律。结果表明：随着刀具刃口半径增大,加工表面粗糙度增加,切削力和工件温度降低,切屑变薄;当刀具前角由负值增加到正值,钛工件承受的压应力逐渐变为剪应力,正前角刀具更有利于切削,同时在不同的刀具前角下,切向力和法向力的大小也有显著变化。     

基于分子动力学的金属钛纳米切削过程研究（英文）

采用基于分子动力学的仿真方法建立了金属钛纳米切削分子动力学模型,选择了有代表性的切削条件,通过仿真得到瞬间原子位置图像并对切削过程中材料去除现象、加工表面形成过程、系统势能和工件温度等的变化进行了分析。发现在金属钛的纳米切削过程中切屑和加工表面是由于晶格能的释放和位错的不断延伸扩展形成的。已加工表面原子的弹性恢复和晶格重构能够减缓总势能和温度不断增加的趋势,并使其伴随有微小波动。