难熔金属（V、Nb、W）低指数表面熔化的分子动力学模拟研究

摘要

表面对材料的性能有着重要影响。本文运用分子动力学方法和改进分析型嵌入原子方法(MAEAM)研究了钒、铌、钨等难熔金属低指数面(111)、(001)、(110)的微观结构与温度变化之间的关系。 本文首先计算了体系中每个原子的平均能量来确定钒、铌、钨等金属完整晶体的熔点，其结果接近于各自的实验值。还研究三种金属不同温度下的热膨胀系数，结果和已有的参考值接近。 受表面张力的影响，各低指数表面层间距随温度升高而发生变化，在相同温度下，(111)面的层间距变化最大，其预熔温度最低，(110)面的层间距随温度变化最不明显，其预熔温度最高，而(001)面的层间距变化和预熔温度则处于两者之间。钒、铌各低指数表面随温度升高出现收缩。 通过对钒、铌、钨各低指数面的原子位置、原子振动的均方值、层原子密度、层结构因子、径向分布函数模拟研究表明：在低于其熔点温度下，各低指数面在自由表面处均附着一准液态层而出现预熔现象，其中(111)表面最先出现预熔，(001)表面次之，而(110)表面最后出现预熔。随着温度升高，(111)面、(001)面的预熔层逐渐内层原子扩展；而(110)面则不明显，直到接近其熔点温度时才在其表面出现预熔层。其原因是各低指数面的原子密度不同、原子排列方式的差异、表面不对称性和原子振动非谐效应增强等因素，使得各表面在低于晶体熔点温度下出现预熔。研究还表明：V、Nb、W的各低指数表面都没有出现过热现象，V、Nb的各低指数面以及W(111)面在低于其各自的熔点下，整个试样已经完全处于无序状态。 另外根据径向分布函数，将预熔原子分数与温度进行了数值拟合发现，预熔原子分数随温度变化可以用一经验式来预测，并通过拟合的表面预熔激活能来判断低指数面的预熔和熔化的情况，随着表面预熔激活能的降低表面预熔温度显著减小。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1金属的熔化

1.1.1金属熔化的理论研究

1.1.2金属熔化的实验研究

1.2热力学熔点判断方法

1.3金属的预熔

1.4难熔金属(钒、铌、钨)

1.5难熔金属熔化的研究现状及其意义

1.6本研究工作目的和意义

1.7本文研究工作的主要内容

第2章BCC金属分析型EAM模型

2.1 EAM理论的发展

2.2改进分析型嵌入原子模型（MAEAM）

2.3分析型EAM模型的应用

2.4本章小结

第3章分子动力学、建晶格及研究预熔与熔化物理量

3.1分子动力学的基本思想

3.2系综

3.2.1等温等压系综（NPT）

3.2.2正则系综（NVT）

3.3有限差分方法

3.3.1 Verlet算法

3.3.2预测—校正算法（GEAR方法）

3.4调温方法技术

3.4.1速度温标法

3.4.2 Gaussian热浴法

3.4.3Nose-Hoover热浴法

3.5分子动力学的应用

3.6构建品格

3.6.1三维完整晶格构建

3.6.2自由表面的晶格构建

3.6.3周期性边界条件

3.7研究预熔与熔化的物理量

3.7.1表面热膨胀(Surface Thermal Espansion)

3.7.2原子振幅的均方值(MSVA)

3.7.3层原子密度函数(Layer Atom Density Function)

3.7.4层结构因子(Layer Structure Factors)

3.7.5径向分布函数(RDF)

3.8本章小结

第4章钒低指数表面预熔与熔化的研究

4.1完整晶体钒热学性能的研究

4.2钒低指数表面有关物理量计算结果的分析与讨论

4.2.1不同温度下各低指数面的原子位置

4.2.2钒低指数面的层间距

4.2.3原子振幅的均方值

4.2.4层原子密度

4.2.5层结构因子

4.2.6径向分布函数

4.2.7预熔原子层数随温度的变化

4.3本章小结

第5章铌低指数表面预熔与熔化的研究

5.1完整晶体铌热学性能的研究

5.2铌低指数表面有关物理量计算结果的分析与讨论

5.2.1不同温度下各低指数面的原子位置

5.2.2铌低指数表面的面间距

5.2.3原子振幅的均方值

5.2.4层原子密度

5.2.5层结构因子

5.2.6径向分布函数

5.2.7预熔原子分数随温度的变化

5.3本章小结

第6章钨低指数表面预熔与熔化的研究

6.1完整晶体钨热学性能的研究

6.2钨低指数表面有关物理量计算结果的分析与讨论

6.2.1不同温度下各低指数面的原子位置

6.2.2钨低指数表面的面间距

6.2.3原子振幅的均方值

6.2.4层原子密度

6.2.5层结构因子

6.2.6径向分布函数

6.2.7预熔原子分数随温度的变化

6.3本章小结

结论

参考文献

致谢

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