不同冷速对金属铜Cu凝固过程中微观团簇结构演变影响的模拟研究(2014年)资源-CSDN文库

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第 31卷第 3 期

原子与分子物理学报 Vol&31 No&3

2014 年 6 月 JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS Jun. 2014

doi： 103969/j. issn. 1000-0364.2014.03.009

不同冷速对金属铜Cu凝固过程中微观团簇

结构演变影响的模拟研究

易学华！卜寿亮！钟庆湖！陈书汉！陈泗凯

(嘉应学院物理与光信息科技学院，梅州514015)

摘要：采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen(Q-SC)多体势对由5 万个液态金属铜（Cu)原子构

成的系统在三个不同冷却速率下的凝固过程中微观团簇结构转变的影响进行了模拟研究.运用双体分布

函数、Honeycutt-Andersen(HA)键型指数法、原子团类型指数法（CTIM-2)和可视化分析等方法，对凝固过

程中微观团簇结构的演变特性进行了分析研究. 结果发现：由非晶体向晶体转变的临界速度约为1. 0X

1013K/s，在此冷速下系统形成非晶体和晶体以一定比例并存的混合结构；在冷速为1. 0X1014K /s冷却时

系统形成以1551、1541、1532、1431键型为主的非晶体结构，非晶转化温度约为673K;在以4. 0X1012K/s

速度冷却时，系统从673K就开始结晶，并形成以1421和1422 二种键型或由这二种键型构成的面心立方

(FCC) (12 0 0 0 12 0)和六角立方（HCP) (12 0 0 0 6 6)基本原子团为主的晶体结构，尤其是由1421键型构

成的面心立方（12 0 0 0 12 0)基本原子团在晶体生长和微观团簇结构形成过程中占主导地位. 同时发现，

冷速对金属C u系统中的FCC结构和HCP结构的相对比例有显著的影响，冷速越低，FCC基本原子团以

及由其构成的团簇结构越多.

关键词：液态金属Cu;凝固过程；微观团簇结构演变；分子动力学模拟（Q—SC多体势

中图分类号：O651 文献标识码：A 文章编号：1000-0364(2014)03-0398-09

S im u la tio n study o f the effets o f v a rio u s c o o lin g rates o n e v o lu tio n p ro p e rtie s

o f m icro-cluster s truc ture d u rin g s o lid ific a tio n processes o f liq u id m e tal C u

YI Xue-Hua, BU Shou-Liang, ZHONG Qing-Hu, CHEN Shu-Han，CHEN Si-Kai

(School of Physics and Optical Information Sciences，Jiaying University，Meizhou 514015)

Abstract ： A simulation study has been performed on the effects of microstructral transition during solidt-

fication process of 50000 liquid metal Cu atoms at three different cooling rates by adopting the molecular

dynamics method and Quantum Sutton-Chen many body potential. The pair distribution function g(r)

cures，The bond-type index method of Honeycutt-Andersen(HA) ,the cluster-type index method(CTIM-

2)and visualization anaysis have been used to analyse and study the evolution properties of micro-cluster

configurations during solidification processes. It is found that the critical cooling rate is about 1. 0 X 1013

K/s for transition from amorphous structrue to crystal structure，the crystal and amorphous mixed coex

istence structures are formed finally in the system when the cooling rate is 1. 0 X 1013 K/s. At the cooling

rate of 1.0X1014K/s,amorphous structures are formed mainly with the 1551 )541 )532 and 1431 bond-

types，and the glass transition temperature Tc is about 673K. At the cooling rate of 4. 0 X 1012 K /s, The

收稿日期：2013-12-16

基金项目：广东省自然科学基金（<2。13。1。。12。49，<2。12。1。。1。976);2。13年广东省大学生创新创业训练计划项目；广东省高等学校

学科与专业建设专项（2013LYM0084)

作者筒介：易学华（1965 —），男，江西宜春人，硕士，副教授，主要从事金属材料模拟和量子几何相位的研究及理论物理教学工作•

通讯作者：钟庆湖.E-mail ； yixuehua2004@163. com

第3 期

易学华’等：不同冷速对金属铜C u凝固过程中微观团簇结构演变影响的模拟研究

399

crystallization starts from 673K in the system, and the crystal structures are formed mainly with the

1421 and 1422 bond-types or FCC (12 0 0 0 12 0)and HCP(12 0 0 0 6 6) basic clusters consisting of the

two bond-types • Espeically, FCC (12 0 0 0 12 0) basic cluster consisting of 1421 bond-type occupies a

dominant position in crystal-growth and the forming processes of micro-cluster structures. Meanwhile,

it has been found that there are obvious effects of the cooling rate on the relative proportion of the FCC

and HCP basic clusters for the system containing of metal Cu, the lower the cooling rate is，the more the

FCC basic cluster and cluster structure making up of FCC cluster.

Key words： liquid metal Cu; Solidification process； Evoluition of micro-cluster structrue； Molecular dy

namics simulation; Q-SC many-body potential

液态金属在凝固过程中所形成的微观团簇结

构演变信息和转变规律在目前实验条件下是很难

获得的，而计算机技术的迅速发展为进一步了解这

些微观信息提供一个重要的手段与方法. 为此，人

们利用计算机对液态金属凝固过程进行分子动力

学模拟，并取得了许多重要的研究成果[1一14].

虽然作？[15]曾对 500个液态金属C u 原子凝

固过程中在不同冷速下的微观结构演变规律进行

过研究，但因 5。。个原子数量太少，不能很好地反

映液态金属C u 在凝固过程中的微观结构演变信

息及转变规律，特另IJ是对微观团簇结构演变特性更

难以了解，加上边界条件对5。。个原子与对5 万个

原子的影响要大得多，所以为了更深人详细了解金

属 Cu 程微簇的变规信

息，本文试图在作者原有工作的基础上[15’16]，采用

5 万液态金属原子在同速的

程进行模拟研究，并采用双体分布函数、键型指数

法（H A )和原子团类型指数法（CTIM —2) [ ’2。] 、平

均

配

位数

等方法

，对

凝

固

过程中原子

团簇

结

构

，

尤

其是纳米级大团簇结构的形成、演变特性进行更为

的研究.

2 模拟计算的条件与方法

模拟计算的条件为：将 50000个原子置于一

立方体盒中，按周期性边界条件运行，系统的总能

量按照 Quantum Sutton 一 chen ( Q 一 SC) 多体

势[17，18]有

Utot= =

# 2 (rtj ) - C # " " (1)

S L j/t 」

式中 ^ 是两原子i 与 j 之间的距离，V (r„)是原子i

与 j 之间双体排斥势

Q Os ) = ( ) ( )

" 是与i 原子相关的局域能量密度，表示为

" = # ? ( r j ) = # ) ⑶

j/t jj/ ” J

这个势的截止距离为22. 0a. u(原子单位），运

行的时间步长为1. 54 X 10—15s.模拟计算从1773K

开始（C u 的熔点为1563K)，首先让系统在1773K

等温运行20。步，使之处于平衡态（我们根据系统

的能量变化程度来判断系统是否处于平衡态）.然

后再让系统按 1. 0 X 1014K /s、1. 0 X 1013K/s 和 4.

0X1012K / s 的速率冷却至173K，其中每隔 100K

让系统等温运行50步，记录下，每个原子的空间坐

标，以测量该系统在此温度下的结构组态.然后采

用双体分布函数、Honeycutt — Andersen (H A )键

型指数法™ 、原子团类型指数（C T IM - O 2W W 、

平均配位数等方法来进行结构分析，进一步总结探

讨及弄清其微观结构转变规律•

表 1 quantum Sutton-Chen 势模拟参数

Table 1 Potential Parameters of quantum Sutton-Chen

D(mev" c

m n "(A)

5.7921 84.843 5

10 3&6030

模拟

结果与分

析

3 . 1 双体分布函数分析

由于系统中原子的双体分布函数g (r)与 X 射

线衍射实验得到的结构因子S(q )互为 Fourier变

换，因而它已成为目前液态、非晶态结构的理论研

究结果与实验结果相互验证的重要手段并被广泛

使用的重要分析方法.首先考察由上述模拟所得到

三个冷速下在该系统的双体分布函数g (r)，发现

每一个冷速在1573K温度时所得到的g(r)模拟结

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