分子動力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用(編輯修改稿)
2024-08-28 18:53 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 引起的能量差。這一模型成功地描述了Nb、Fe、Cr等元素，但應(yīng)用起來很繁雜。張邦維等綜合考慮以上EAM模型的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出了分析型EAM理論，成為一個普適分析型EAM模型。胡望宇等在張邦維分析型EAM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了改進(jìn)的分析型EAM模型(MAEAM)。此外，還有許多形式的多體勢函數(shù)形式，如Jacobsen等在等效介質(zhì)原理(EMT)的基礎(chǔ)上提出的另一種函數(shù)形式，由于其簡單、有效，因此也得到了廣泛的應(yīng)用。勢函數(shù)確定后，通過對勢函數(shù)求導(dǎo)即可得出分子間的作用力。3．2周期性邊界條件 原子和分子體系的分子模擬的目的是提供一個宏觀樣本的物性信息。在具有自由邊界的三維N個粒子的體系中處于界面的分子數(shù)正比于N1脂。在使用有限的原子數(shù)來模擬實(shí)際體系中原子的運(yùn)動時，必須考慮表面對體系中原子運(yùn)動的影響。為避免這種影響，可以通過周期性邊界條件來實(shí)現(xiàn)。將含有N個粒子的體積當(dāng)作具有與其相同單元無限周期點(diǎn)陣的原始單元(如圖1是一個二維的示意圖，在這個二維圖象中每個單胞被其他的8個單胞所包圍；在三維方向上每個單胞就會被26個單胞所包圍)，一給定粒子則與在此無限周期體系中的全部其他粒子相互作用。對有些模擬，在所有方向都用周期性邊界條件是不合適的。比如在研究表面的分子吸附時，在與表面垂直方向上不能用周期性邊界條件，而僅在平行于表面的2個方向需要應(yīng)用周期性邊界條件。4 分子動力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用 分子動力學(xué)的適用范圍 材料科學(xué)中計算模擬研究范圍極為廣泛，從埃量級的量子力學(xué)計算到連續(xù)介質(zhì)層次的有限元或有限差分模型，可分為4個層次：電子、原子、顯微組織和宏觀層次（見圖2）。MD主要是原子尺度上研究體系中與時間和溫度有關(guān)的性質(zhì)的模擬方法。 最早將分子動力學(xué)方法用于材料研究中的是Vineyard 于1960年探討材料輻射損傷的動力學(xué)規(guī)律。模擬結(jié)果給出了原子軌跡，同時加進(jìn)了周期性邊界條件，結(jié)果他驚奇地發(fā)現(xiàn)可以用很少的粒子（864個）來反映真實(shí)系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)。自此，凝聚態(tài)物質(zhì)的分子動力學(xué)模擬成為可能，許多研究者紛紛投入這一研究工作。 最初應(yīng)用是基于偶函數(shù)，如LendardJones勢函數(shù)和Morse勢函數(shù)，模型簡單，運(yùn)算量小，而得以在材料科學(xué)中廣泛應(yīng)用。但由于其未考慮到體積相關(guān)項(xiàng)，在研究材料的彈性系數(shù)性質(zhì)和預(yù)言金屬的結(jié)合能及空位形成能時，難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果［5］。EAM多體勢主要用于fcc型金屬及其合金中，處理其結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、表面、缺陷及液態(tài)金屬等問題，也應(yīng)用
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