介原子分子動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展與應(yīng)用.pdf

1、合金廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，由此也得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與研究。但在經(jīng)典的嵌入式原子勢(shì)體系下，科學(xué)家們很難優(yōu)化得到可靠的合金勢(shì)函數(shù)，這使得合金分子動(dòng)力學(xué)研究嚴(yán)重滯后于實(shí)驗(yàn)與理論的研究進(jìn)展。為能夠利用分子動(dòng)力學(xué)從原子層面研究合金的變形機(jī)制，我們基于嵌入式原子勢(shì)發(fā)展出用于合金分子動(dòng)力學(xué)模擬的介原子分子動(dòng)力學(xué)方法。所取得的研究進(jìn)展如下:
　　本文基于兩個(gè)基本假設(shè)“相似性假設(shè)”和“平均化假設(shè)”提出了介原子分子動(dòng)力學(xué)方法。在這一方法中，所有的原子

2、都不再代表合金中的不同元素的原子而是一個(gè)虛擬的原子—“介原子”。其勢(shì)函數(shù)的擬合也不再考慮不同元素之間的相互作用，轉(zhuǎn)而直接使用合金的實(shí)測材料屬性來優(yōu)化擬合。
　　基于這一方法，本文自主開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)程序，通過加權(quán)最小二乘法優(yōu)化模擬值與目標(biāo)值的殘差，最后輸出滿足嵌入式原子勢(shì)格式的勢(shì)函數(shù)文件。為了降低單次優(yōu)化的時(shí)間并提升計(jì)算效率，本文提出了“幾何因子”和“白噪聲”等加速算法，這有效提升了程序優(yōu)化得到勢(shì)函數(shù)的求解能力。
　　為了驗(yàn)

3、證本文所提出方法的可靠性，本文利用介原子分子動(dòng)力學(xué)方法制作得到了一系列的銅鋁合金勢(shì)函數(shù)和虛擬可發(fā)生脆斷的面心立方勢(shì)函數(shù)，并利用這些勢(shì)函數(shù)模擬研究層錯(cuò)能對(duì)合金變形機(jī)制的影響和金屬的韌脆轉(zhuǎn)變效應(yīng)。本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)層錯(cuò)能對(duì)于合金的變形機(jī)制有著重要影響:隨著層錯(cuò)能的降低，金屬的變形機(jī)制中孿晶所占比例迅速提升。同時(shí)，自由表面能和不穩(wěn)定層錯(cuò)能的比值直接決定了金屬的韌性或脆性斷裂屬性。這組勢(shì)函數(shù)的成功應(yīng)用證明了本方法的可靠性與普適性。
　　為

4、研究固溶體合金中的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，本文又對(duì)介原子分子動(dòng)力學(xué)方法做了改進(jìn)，提出了放縮因子介原子分子動(dòng)力學(xué)方法。放縮因子的加入可以有效地在金屬中引入彌散分布的晶格畸變。并且，隨著晶格畸變的加大，當(dāng)超過晶格自身的穩(wěn)定性時(shí)，晶格就會(huì)垮塌成為非晶結(jié)構(gòu)。放縮因子的加入并不會(huì)對(duì)材料屬性有很大的影響，但又會(huì)使位錯(cuò)滑動(dòng)的臨界應(yīng)力Peierls應(yīng)力大幅度上升，明顯提升位錯(cuò)滑動(dòng)所面對(duì)的晶格阻力，進(jìn)而影響材料變形機(jī)制。
　　為了更好地推廣本文提出的介原子勢(shì)

5、函數(shù)，本文選擇了學(xué)術(shù)界近期的研究熱點(diǎn)“孿晶誘導(dǎo)塑形變形鋼”（TWIP鋼），并利用介原子分子動(dòng)力學(xué)方法發(fā)展得到層錯(cuò)能為19 mJ/m2的TWIP鋼介原子勢(shì)函數(shù)，隨后利用這一勢(shì)函數(shù)系統(tǒng)研究低層錯(cuò)能金屬形變孿晶的形核、生長以及位錯(cuò)與孿晶的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，形變孿晶與擴(kuò)展位錯(cuò)均在TWIP鋼的塑形變形過程中發(fā)揮著重要作用。而形變孿晶的孿晶界可以有效地細(xì)化晶粒。在阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，共格的孿晶界又提升了晶粒的容納位錯(cuò)能力。在經(jīng)歷一定量塑性變形后，