單晶鋯固態(tài)相變與熔化特性的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、相變是指材料在一定溫度和壓力等條件下發(fā)生的物相的轉(zhuǎn)變。相變前后，材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起宏觀性質(zhì)的顯著改變。對相變現(xiàn)象的研究具有理論意義和工程價值。在核工業(yè)中，鋯因其高熔點(diǎn)、高硬度、低熱中子吸收截面等優(yōu)良的材料特性得到了廣泛應(yīng)用。常溫下，鋯晶體處于密排六方結(jié)構(gòu)。升溫時發(fā)生固態(tài)相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)。繼續(xù)升溫則會熔化。本文使用分子動力學(xué)方法，對溫度引起的單晶鋯的固態(tài)相變和熔化這兩類典型相變現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。
　　在給

2、定溫度和壓力狀態(tài)下，材料處于所有潛在物相中自由能最小者。通過比較不同狀態(tài)點(diǎn)下各相的自由能，即可確定相變點(diǎn)并繪制相圖。然而自由能無法通過分子動力學(xué)模擬直接獲得。熱力學(xué)積分法是間接計(jì)算自由能的一種常見方法。該方法通過在真實(shí)體系和參考體系間建立一條可逆熱力學(xué)路徑，將真實(shí)體系自由能的計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榍罂赡媛窂缴细髦虚g體系的系綜平均這一分子動力學(xué)方法容易解決的問題。然而描述中間體系的勢函數(shù)是由參考體系和真實(shí)體系的勢函數(shù)耦合而成。可逆路徑上每一個中間體系

3、實(shí)際上都對應(yīng)著不同的勢函數(shù)。常見分子動力學(xué)程序無法解決該問題。本文在LAMMPS這一著名的分子動力學(xué)程序上進(jìn)行了二次開發(fā)，增加了對可逆路徑上中間耦合體系的處理方法，實(shí)現(xiàn)了使用熱力學(xué)積分法計(jì)算晶體材料Helmholtz自由能這一功能。
　　在此基礎(chǔ)上，本文分別計(jì)算了密排六方和體心立方結(jié)構(gòu)鋯的溫度-自由能曲線，求得鋯固態(tài)相變溫度點(diǎn)1310K，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1136K吻合較好。通過對相變過程晶體中原子位置的追蹤與分析，獲得了鋯從體心立方到密

4、排六方結(jié)構(gòu)的相變機(jī)制:[100]晶向收縮，[011]和[0-11]晶向拉伸，同時{011}晶面相對滑移，最終形成穩(wěn)定的密排六方結(jié)構(gòu)。該過程與Burgers提出的相變機(jī)制一致。
　　熔化是一級相變，伴隨著體系體積的突變。本文使用回滯曲線法，通過監(jiān)控升溫和降溫過程原子平均體積的變化情況，求得了零壓下鋯的平衡熔點(diǎn)2010K，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果2128K吻合較好。通過改變體系壓力，研究了壓力對鋯平衡熔點(diǎn)的影響。結(jié)果表明:隨著壓力增加，鋯的熔點(diǎn)先小